植物蔗糖转运蛋白的研究进展

植物蔗糖转运蛋白的研究进展

甘蔗和衍生物是许多高等植物高度诱导的碳运输形式。植物光合作用产生的蔗糖,除用于自身代谢之外,大部分经过韧皮部的长距离运输到达库组织,供给植物生长发育需求。在同化物分配过程中,蔗糖从源叶装载到韧皮部以及从韧皮部卸载进入库组织细胞内,主要依赖于两种不同的途径,即共质体途径和质外体途径。共质体途径是通过胞间连丝进行的,质外体途径则是跨膜运动,需要特异的转运蛋白(载体)介导和能量驱动。植物的蔗糖转运蛋白(sucrosetransporters,SUTs),又称蔗糖-H+共转运蛋白(sucrose/H+co-transporters,SUCs),是一类具有蔗糖转运活性的蔗糖载体,广泛存在于高等植物的组织和细胞中介导蔗糖的跨膜运输。因此,蔗糖转运蛋白被认为在蔗糖进出韧皮部、库组织的蔗糖供给与蔗糖的贮藏,以及蔗糖转运调控等多种生理过程中发挥着重要的作用。本文将对植物蔗糖转运蛋白的生理特性和目前的一些研究进展进行总结和讨论供参考。1植物的转运蛋白随着分子信息等技术的发展,蔗糖转运蛋白的研究不断深入。1992年,Riesmeier等从菠菜中克隆得到了第一个蔗糖转运蛋白SoSUT1。蔗糖转运蛋白属于MFS超家族(MajorFacilitatorSuperfamily)中的一员,它们的序列高度保守,是高疏水性蛋白,含有12个跨膜结构域,中间面向细胞质的部分有1个大的胞质环,将蛋白分为各含6个跨膜结构域的2个半区,即前半区和后半区。至今已经从菠菜、马铃薯、芹菜、胡萝卜及拟南芥等植物中克隆得到了80多种蔗糖转运蛋白基因。而后又对这些基因和cDNA序列进行同源性和系统发生分析得知,编码蔗糖转运蛋白的基因属于一个多成员的基因家族[5~7]。在大多数植物体中,都包含不止1个蔗糖转运蛋白基因。例如拟南芥中包含9种蔗糖转运蛋白基因,水稻基因组中包含5种蔗糖转运蛋白基因。目前,植物体的蔗糖转运蛋白共分为5个亚族:SUT1、SUT2、SUT3、SUT4和SUT5亚族。SUT1亚族成员属于双子叶植物特有的高亲和力蔗糖转运蛋白,Km值在0.07~2.0mmol·L-1之间。目前克隆得到的SUT1亚族的基因有拟南芥AtSUC9、AtSUC1、AtSUC2,豌豆PsSUF1、烟草NtSUT1A、马铃薯StSUT1和番茄LeSUT1等。在烟草、番茄和马铃薯植物中的SUT1在筛管质膜上表达[11~13],而车前草、拟南芥中SUT1在伴胞的质膜上表达,而玄参科植物的AmSUT1在筛管和伴胞细胞的质膜上都有表达。SUT2和SUT4转运蛋白存在于单子叶植物和双子叶植物中,具有较低的亲和力,Km值在4~20mmol·L-1。目前克隆得到单子叶植物中的SUT2亚族的基因有高粱SbSUT2、玉米ZmSUT2、黑麦LpSUT2等,双子叶植物SUT2亚族有番茄LeSUT2、三叶胶HbSUT2a、拟南芥AtSUT2/SUC3等。在结构上,双子叶植物的SUT2亚族具有一个由60个氨基酸组成的狭身字的中心环,这是单子叶植物中所不具有的,且研究发现此中心环与其转运蛋白的亲和力无关。SUT2转运蛋白位于筛管细胞的质膜上。SUT4亚族转运蛋白,除胡萝卜的DcSUT1外,其他都具有低的蔗糖亲和力,Km在5.0~6.0mmol·L-1之间,能在高浓度的蔗糖条件下,以较大的速率跨膜转运蔗糖分子。目前已克隆得到的SUT4亚族基因有MdSUT1、DcSUT1A、StSUT4、LeSUT4、AtSUT4、HbSUT5、PsSUF4、LjSUT4、ZmSUT4和SbSUT4等。SUT4亚族主要在成熟叶片的次级叶脉(韧皮部装载的主要部位)和幼嫩的叶片、花和果实等‘库’器官中表达。SUT4亚族转运蛋白存在于拟南芥的叶绿体膜上、大麦叶肉细胞的液泡膜上、筛管细胞的质膜上。SUT3和SUT5两个亚族的蔗糖转运蛋白为单子叶植物特有,已在玉米、糯稻、高粱、大麦、黑麦等植物中克隆得到SUT3和SUT5亚族基因。OsSUT3、ZmSUT3、SbSUT3、HvSUT1、LpSUT1、ZmSUT1、ShSUT1、OsSUT1等属于SUT3亚族;OsSUT5、ZmSUT6、ZmSUT5、SbSUT6、SbSUT5则属于SUT5亚族。目前对单子叶植物的SUT5亚族的蔗糖转运蛋白的功能特征还不是很清楚。蔗糖转运蛋白的转运糖类并不一定都是蔗糖。拟南芥AtSUC2具有低亲和力,转运的不是蔗糖而是麦芽糖和配糖物,如熊果苷、水杨苷等。AtSUC9属于SUT1亚族的蔗糖转运蛋白,其转运的物质为蜗牛素、水杨苷、麦芽糖等。2不同植物蔗糖转运蛋白基因的表达差异免疫定位和GFP融合表达定位是研究蔗糖转运蛋白细胞定位的常用方法。Krügel和Weise等采用带有特异抗体的免疫荧光测得SUC2存在于大车前和拟南芥的伴胞中。而用荧光免疫和银强化的免疫金染色方法进行的免疫定位显示,烟草、马铃薯和番茄的SUT1存在于核已消失的筛管细胞质膜中。利用SUT1-GFP融合在烟草中的表达结果来看,SUT1蛋白不仅定位在烟草叶片表皮细胞质膜上,同时也定位于内质网上。在香毛簇植物中,采用SUT1-GFP在转基因植物体内SUT1只定位在伴胞中。大车前、拟南芥中与在烟草、马铃薯和番茄植物体中蔗糖转运蛋白的定位存在差异,这可能是由于不同植物具有不同的蔗糖卸出机制。尽管已有证据证实茄科植物的的韧皮部装载直接发生在筛管细胞的质膜上,但最近利用抗血清检测NtSUT1-MPB融合蛋白的表达,则发现SUT1蛋白定位在伴胞中,而不是在筛管细胞中。Bianca等应用免疫定位研究也得出茄科植物SUT蛋白定位在韧皮部的伴胞和木质部的薄壁组织细胞中。究竟茄科植物的蔗糖转运是通过筛管还是伴胞质膜,这需要进一步的试验证明。在蔗糖转运蛋白基因家族中,不同的蔗糖转运蛋白基因执行的具体功能不同,其表达部位也可能不同,在不同的植物中也有差异。Kühn等利用伴胞特异启动子抑制番茄SUT1mRNA的表达,得出SUT1mRNA的转录是在伴胞中进行的。应用拟南芥伴胞上特有的启动子去杂交检测AtSUC2的表达,其结果在筛管细胞中没有AtSUC2蛋白的表达。从胡萝卜主根中克隆得到的两个蔗糖转运蛋白基因DcSUT1和DcSUT2,两者具有不同的表达模式;DcSUT1主要在叶片中高度表达,其功能是将蔗糖装载到韧皮部,DcSUT2主要在库组织韧皮部中表达,也出现在韧皮部和木质部的薄壁组织细胞中。植物库细胞的液泡中也含有一种用于吸收蔗糖的H+/蔗糖反向转运蛋白和一个用于释放蔗糖的单向转运蛋白。Endler等应用蛋白组学的方法发现了大麦和拟南芥叶肉细胞液泡膜上存在的HvSUT2和AtSUT4,并将HvSUT2-GFP和AtSUT4-GFP转入拟南芥叶片和洋葱表皮细胞中,结果证实HvSUT2和AtSUT4定位于液泡膜上介导蔗糖在液泡与细胞质间的交换。Reinder等通过GFP融合表达也发现荷花LjSUT4定位在液泡膜上。但并不是所有的SUT4亚族的蔗糖转运蛋白都定位于液泡膜上,如马铃StSUT4,它在酵母细胞质膜上催化蔗糖的吸收。3植物组织特征植物体糖的产生、消耗以及糖的贮藏存在空间上的分离,蔗糖转运蛋白的表达在不同水平上受组织特异性、植物的发育阶段、昼夜节律、植物体内外的糖浓度等多方面的调控,表现出较高的周转率[33~35]。因此植物自身具有感受糖状况的能力,从而调节碳水化合物的合成与转运。3.1蔗糖转运蛋白、蔗糖和外源糖对水稻种子胚糖活性的影响在植物发育过程中,糖作为信号分子可调控植物体内库源的关系和蔗糖转运蛋白基因的表达。Chiou和Bush研究得出,蔗糖能特异地对蔗糖同向转运体的转录和翻译进行调节,但己糖等其他糖则不具备此调节作用。植物中存在蔗糖特异的影响转录和翻译的调节途径,这些途径包括蔗糖诱导patatin启动子和韧皮部特有的rolC基因,蔗糖转运蛋白基因表达和运输活力受蔗糖阻遏等。在糖饥饿的条件下,在水稻胚中没有检测到OsSUT1的表达,但是在内源糖水平提高时,OsSUT1表达增强。Yang等推测在萝卜肉质胚根的伸长过程中可能受到蔗糖的特异调控并且与蔗糖信号转导有关。在拟南芥中,外用蔗糖可增加幼苗蔗糖转运蛋白AtSUC1基因的表达并在体内积累花青素,而在AtSUC1缺失突变体中外用蔗糖并没有增加花青素的积累,表明SUC1只是拟南芥蔗糖诱导表达中的一个基因区段。葡萄糖和蔗糖也影响水稻种子胚中OsSUT1的表达,在处理1d后,葡萄糖和蔗糖负调节OsSUT1的表达,但处理5d,OsSUT1的表达明显的增强,由此推测可能存在与己糖激酶相关的信号传导途径。Chun等研究不同的糖对柑橘蔗糖转运蛋白CitSUT1和CitSUT2的表达影响,其结果表明CitSUT2的表达不受外源糖的影响,且在库中表达;而CitSUT1在源叶中表达,被外源的蔗糖、葡萄糖、甘露糖和2-脱氧葡萄糖所抑制,但不受3-O-甲基葡萄糖的抑制。在葡萄中,蔗糖转运蛋白基因VvSUC11和VvSUC12的表达随浆果液泡中己糖的积累而增加,而VvSUC27则与之相反。3.2bvsut1的mrna表达蛋白质磷酸化和去磷酸化可直接或间接调节蔗糖转运蛋白的活性,但其作用后果仍不清楚。Roblin等利用蛋白质磷酸化的抑制剂冈田酸(OkadaicAcid,OA)对蔗糖转运蛋白研究表明,冈田酸影响BvSUT1的mRNA的表达量、转录的速度以及转运蛋白的活性,但是蛋白激酶抑制剂则不影响BvSUT1的转录和活性。Nühse等首次直接证实拟南芥AtSUC5的N端出现了磷酸化现象。Niittyla和Durek等通过质谱分析拟南芥AtSUC1蛋白质,其磷酸化位点出现在第20位点的丝氨酸和393位点的苏氨酸上[47~49]。3.3植物细胞的荧光互补蛋白质的互作也能调控蔗糖转运蛋白。蔗糖转运蛋白之间不仅存在同源的寡聚化,也存在异源寡聚化。Renders等利用了一个改良的酵母双杂交系统,在这个系统中,利用LacZ表达情况来检测蛋白之间的互作,结果表明,LeSUT1和LeSUT2都能分别与自身进行互作,激活β-半乳糖苷酶的转录;利用酵母双杂交系统研究发现,茄科植物中3类SUT之间都存在蛋白质互作,两个SUT1亚基形成的同源两聚体的亲和力是SUT1与SUT4异源二聚体亲生力的2倍,是SUT1与SUT2异源二聚体亲和力的4倍。Fan等结合酵母双杂交系统、免疫协同沉淀、双分子荧光互补分析等技术,研究细胞色素b5与苹果的SUT1和SOT6的互作得出,细胞色素b5定位在内质网上,与SUT1和SOT6的互作提高了糖转运蛋白的亲和力,使细胞能够适应糖的饥饿,拟南芥中的细胞色素b5也具有相似的功能,而酵母中的细胞色素b5不具有调节糖转运蛋白的功能。不同种类和功能的蔗糖转运蛋白之间的相互作用形成具有不同转运活性的复合体,可能是植物细胞快速调节蔗糖运输的一种重要方式。但是它们的互作方式、机制以及之间是否存在桥梁蛋白目前仍不清楚。3.4aba对植物蔗糖转运蛋白基因转录的影响植物体内蔗糖的转运过程中,蔗糖转运蛋白在转录和翻译后水平都受到激素的调节。Harms等应用外源生长素2,4-D处理马铃薯叶片,结果显示StSUT1mRNA的表达量增加。Chen等用GA3和ABA处理水稻种子,研究水稻种子萌发过程中OsSUT1基因表达差异,结果得出外源ABA抑制OsSUT1的表达,而GA3则促进OsSUT1的表达。拟南芥AtSUC1的表达也受ABA的抑制。而彭昌操等用ABA注射连体苹果果实和果实圆片温育的试验体系,发现ABA可以显著地诱导苹果果实蔗糖转运蛋白MdSUT1的基因转录和翻译。Tang等研究三叶胶树HbSUT3的功能得出,乙烯利诱导HbSUT3的表达,促进乳胶的产量。激素对植物蔗糖转运蛋白的调控机理非常复杂,其调控机制及调节方式还有待于进一步的研究。另外,环境因素也参与蔗糖转运蛋白的调控。Sakr等报道切割、衰老调控蔗糖转运蛋白的表达,切割造成的伤害和衰老蔗糖均提高蔗糖转运蛋白基因的mRNA水平,但只有切割增加离体质膜小泡中质子动力推动的蔗糖运输活力,而衰老对此几乎没有效应。光照条件也影响蔗糖转运蛋白的表达和功能。烟草、马铃薯、番茄和胡萝卜植物的叶片在黑暗条件下,其蔗糖转运蛋白的转录减少,但定位在胡萝卜直根中的蔗糖转运蛋白基因转录则不受光照的影响。蔗糖转运蛋白也受昼夜节律的调控。4果实后期转化为共质体途径的研究果实中的糖主要来源于叶片的光合同化产物。大多数植物光合产物是以蔗糖的形式通过韧皮部运输进入果实,有些植物如蔷薇科梨的光合产物则主要以山梨醇和蔗糖形式进入果实。蔗糖进入到果实等库器官则需要经筛分子的卸出过程。光合同化物(蔗糖)在筛分子的卸出途径有两条:一是质外体卸载;二是共质体卸载。这两个途径可单独起作用,也可同时存在。共质体途径是通过胞间连丝进行的,质外体途径则需要膜上的蔗糖转运蛋白来运输蔗糖进入库细胞。不同植物在其不同的发育阶段果实中蔗糖卸载途径与机制可能有所不同。如柑橘果实中生长前期蔗糖的卸载是通过共质体途径,在果实生长后期则转为质外体途径。Zhang等以金冠苹果为试材,利用激光共聚焦扫描显微镜和荧光染料示踪技术得出苹果果实内同化物从筛分子的卸出主要采取质外体途。对有些植物来说,共质体途径和质外体途径两种途径都起到很重要的作用。比如在番茄果实发育的初期,蔗糖的共质体卸载很活跃,而在果实发育的后期质外体起作用。相反地甜菜直根在生长前期蔗糖的卸载为质外体途径,同时细胞壁蔗糖酸性转化酶的活性较强,在其生长后期转为共质体途径,此时蔗糖合成酶的活性较强。胡桃果实的种皮和果皮采用不同的蔗糖卸载途径,种皮中蔗糖的卸载通过共质体途径,而果皮的蔗糖卸载依靠质外体途径。Zhang等采用羟基荧光素示踪、绿色荧光蛋白表达等技术研究葡萄果实中蔗糖的卸载途径,结果得出在葡萄果实开始成熟时,果实中蔗糖的卸载途径由共质体转变为质外体途径,由此相关的细胞壁蔗糖酸性转化酶的活性也增加,即证实了葡萄果实蔗糖卸载途径的适应性转变是果实从发育阶段到成熟阶段的发展转变。近来,Kikuchi等应用正电子放射示踪成像系统(PETIS)很容易的探测到茄子果实内的同化产物的运输路径,用11CO2喂养叶片60min,检测到果实中11CO2的活性增加;再通过放射自显影技术可显示出11CO2在果实内的分布。PETIS将为未来研究分析不同植物果实中光合产物的运输分布提供了一更好的方法。果实细胞内糖分贮存的部位主要为液泡。卸载进入果实细胞的糖,一部分用于代谢,一部分通过液泡膜进入液泡。细胞内物质的穿膜方式有自由扩散、易化扩散和主动运输3种。Echeverria等报道了甜莱檬果实中的蔗糖是通过易化扩散穿膜进入液泡。目前已报道有拟南芥、荷花等植物细胞液泡膜糖转运蛋白相关研究,但有关果实细胞液泡糖的转运蛋白以及转运机制的相关报道较少。因此,开展果实液泡中糖的转运积累研究,将有助于进一步阐明果实糖分积累的机制。5转运蛋白功能的调控蔗糖转运蛋白作为植物所具有多成员的基因家族,是植物源/库中蔗糖跨膜运转的主要机制