【《转化酶研究进展文献综述》2900字】

VI转化酶研究进展文献综述高等植物中，生产和输出光合同化物的组织被称为源组织，主要指成熟叶片；输入或消耗光合同化物的组织被称为库组织，包括发育中的花、果实和根等。蔗糖是大多数植物光合产物合成的主要形式。叶肉细胞中光合作用生成的蔗糖，首先穿过胞间连丝进入薄壁细胞，再经过糖转运蛋白进入伴细胞到达筛管复合体中，经韧皮部的长距离运输，最终从源组织转运至库组织[1]。如图1-1所示，当蔗糖从韧皮部卸载到库组织后，通常有两种转运路径：一种是通过共质体(symplast)运输方式，由胞间连丝进入胞质环境；另一种是质外体(apoplast)运输方式，通过蔗糖转运蛋白(sucrosetransporters,STP)的介导进入质外体空间，参与胁迫响应和抗逆信号。蔗糖是一种二糖，转运到达胞内不同的细胞器(如细胞质、叶绿体、线粒体和液泡等)后，被不同亚细胞定位的催化酶水解为已糖(如葡萄糖和果糖)，参与各种代谢和生物合成过程。葡萄糖和果糖通过O-糖苷键相连构成了蔗糖，这个糖苷键被酶催化断裂启动了蔗糖的代谢和利用过程[2]。在植物中，蔗糖的催化水解过程主要由两种性质完全不同的代谢酶介导完成。一种是蔗糖合成酶(sucrosesynthase,Susy)，属于糖基转移酶，催化底物蔗糖和UDP转化为UDP-葡萄糖和果糖。而另一种水解酶是转化酶(invertase,INV)，直接催化底物蔗糖裂解为葡萄糖和果糖[2]。不同的是，Susy对蔗糖的催化反应是可逆的，而INV对蔗糖的裂解反应是不可逆的。因此，INV在植物碳的利用和分配过程中的调节作用更为关键和重要[3]。根据报道，蔗糖和还原产物葡萄糖和果糖在植物的整个生命周期中发挥着极其重要的作用，不但是植物的生长和发育提供营养和能量来源，同时也是重要的信号分子参与调控植物免疫防御和细胞内的代谢进程。越来越多的研究表明，INV通过改变糖组成成分和激活糖产物的免疫和信号功能，在稳定源-库代谢平衡、调节植物生长发育和提高抗逆适应性中发挥重要功能和生理活性[4-8]。图1-1库组织中蔗糖转化酶介导的蔗糖代谢途径[8]Fig.1-1ASchematicdiagramofinvertase-mediatedsucrosedegradationinsinkS：蔗糖，PD：胞间连丝，CWIN：细胞壁转化酶，G：葡萄糖，F：果糖，蓝色圆：已糖转运蛋白，红色圆：蔗糖转运蛋白，CIN：细胞质转化酶，V：液泡，VIN：液泡转化酶，INH：转化酶抑制子根据最适pH值、亚细胞定位、等电点和溶解度等分子和生化特性，INV被分为三种亚型：细胞质转化酶(cytosolicinvertase,CI)、细胞壁转化酶(cellwallinvertase,CWI)和液泡转化酶(vacuolarinvertase,VI)[9]。CI在pH为6.8-9.0的催化活性最高，因此也被称作是碱性/中性转化酶。细胞质类转化酶无糖基化修饰，通常定位在细胞质、线粒体、质体和细胞核等细胞器中，具有严格的底物催化特异性，仅对底物蔗糖有裂解作用。CWI和VI催化活性的最适pH为4.5-5.5，同属于酸性的蔗糖转化酶(acidinvertase,AI)。AI是一类具有糖基化修饰的水解酶，结构比较稳定[3]。其中，CWI是一类不可溶性蛋白酶，而VI是可溶性的。AI除了可以催化水解底物蔗糖外，还能识别并裂解棉籽糖和水苏糖等含有β-果糖的其他类低聚糖，因此，AI又属于β-果糖苷酶(β-fructosidase)家族[10]。CI的酶活性比较低，再加上其提取纯化困难、极易失活的特点，受到的关注比较少，因此对其生物学功能的研究非常有限[11]。研究发现水稻[12]、百脉根[13]、拟南芥[14]和番茄[15]缺失CI基因的突变体植株都显示出生长受阻和雄性不育或开花延迟的表型，说明CI是植物生长和生殖过程的重要调控因子。当植物受到胁迫时，活性氧(reactiveoxygen,ROS)水平通常会升高，因此，ROS可作为开启胁迫相关基因的信号。在多种植物中发现，渗透胁迫[16]、低温胁迫[16]、盐胁迫[17]和H2O2[18]能够诱导上调NI的转录本，说明CI可能直接或间接地参与植物的ROS应激和防御反应。研究发现，拟南芥中性和碱性的CI的基因缺失突变体会直接影响氧化应激防御基因的表达[18]。与CI相比，对AI的生物学功能的研究报道比较深入。CWI和VI同属AI，因二者在亚细胞定位特征和酶活特异性存在着显著不同，因而，人们推测其发挥的生理功能和作用机制也有所差别。CWI主要通过调节质外体蔗糖的分配和糖信号转导，来影响库器官的强度和对胁迫的防御反应。早期的研究发现，反义抑制烟草CWI编码基因Nin88在花药发育和花粉成熟过程中特异性表达，会造成花粉发育受阻[19]。此外，在烟草中通过翻译后机制降低烟草中的CWI的活性，导致花粉的萌发受阻[20]。玉米CWI(Miniature-1)功能缺失突变体的研究发现，种子饱满度受到抑制，只有对照正常重量的五分之一[21]。在拟南芥中特异性沉默CWIN2和CWIN4在胚珠中的表达，胚珠中CWIN2的转录表达和酶活性显著降低，导致胚珠的发育受阻[22]。提高甘薯MeCWINV3表达后，植株的整体生长受到影响，贮藏根的发育迟缓，叶片衰老的进程加速[23]。在拟南芥中过表达毛竹的CWI编码基因(PhCWINV1、PhCWINV4和PhCWINV7)发现，转基因植株的生物量，植株高度和地上部干重均显著高于对照野生型植株[24]。异体表达红叶藜的CWI编码基因CIN1，可以改变转基因番茄植株的气孔导度，减少了水分损失，显著提高番茄对干旱胁迫的适应能力[25]。上述研究表明CWI在植物的生长发育过程中发挥着重要作用。此外，许多研究报道发现，CWI在植物的防御反应中起着核心作用。利用RNA干扰技术抑制CWI在烟草中的表达，在烟草疫霉(P.nicotianae)侵染下，转基因烟草植株的防御相关反应受损和延迟[26]。类似的实验结论也在番茄中发现[27]，表明CWI的活性变化是宿主防御病原菌的过程中重要的响应信号。VI主要通过改变糖代谢平衡来调节渗透压，影响细胞的伸长、扩大和库器官的发育过程。对水稻突变体sgs1(smallgrainsize1)的籽粒进行组织学分析表明，籽粒微小的表型是由细胞变小造成的，与一个VI编码基因OsVIN2中插入了DaiZ7转座子有关[28]。通过216个甜高粱和粒用高粱不同自交系中两个VI基因(SbVIN1和SbVIN1)的序列变异关联分析发现，SbVIN1和茎秆(如茎长、茎粗、节间数和茎鲜重等)、籽粒等发育性状均存在显著相关性；而SbVIN2只与籽粒宽度和茎秆水溶性碳水化合物含量有关[29]。GhVIN1是棉花纤维中的高表达的主要VI编码基因，利用RNA干扰技术抑制GhVIN1的表达，导致转基因棉花的VI活性显著降低，产生了无纤维的种子[30]。这些研究结果表，VI在植物器官的生物发生过程中同样起重要的调节作用。此外，VI还通过维持糖代谢的稳态，可能调节保卫细胞的气孔开度，在干旱耐受性中发挥重要作用[31]。参考文献[1]陈年来.作物库源关系研究进展[J].甘肃农业大学学报,2019,54(1):1-10.[2]ArndSturm,Guo-QingTang.Thesucrose-cleavingenzymesofplantsarecrucialfordevelopment,growthandcarbonpartitioning[J].TrendsinPlantScience,1999,4(10):401-407.[3]徐晓霞.番茄细胞壁蔗糖转化酶抑制蛋白(Le-INVINH1)在植株抵抗低温胁迫中的功能研究[D].武汉:华中师范大学,2013.[4]ArndSturm.Invertases.Primarystructures,functions,androlesinplantdevelopmentandsucrosepartitioning[J].PlantPhysiology,1999,121(1):1-7.[5]赵杰堂.蔗糖转化酶在高等植物生长发育及胁迫响应中的功能研究进展[J].热带亚热带植物学报,2016,24(03):352-358.[6]TauzinAlexandraS,GiardinaThierry.Sucroseandinvertases,apartoftheplantdefenseresponsetothebioticstresses[J].FrontiersinPlantScience,2014,5(7):1-8.[7]BateNicholasJ,NiuXiping,WangYuwen,etal.Aninvertaseinhibitorfrommaizelocalizestotheembryosurroundingregionduringearlykerneldevelopment[J].PlantPhysiology,2004,134(1):246-254.[8]Yong-LingRuan,YeJin,Yue-JianYang,etal.Sugarinput,metabolism,andsignalingmediatedbyinvertase:rolesindevelopment,yieldPotential,andresponsetodroughtandheat[J].MolecularPlant,2010,3(6):942-955.[9]RauschThomas,GreinerSteffen.Plantproteininhibitorsofinvertases[J].BiochimicaetBiophysicaActa,2004,1696(2):253-261.[10]WuTao,LiuZheng,YangLi,etal.ThePyrusbretschneideriinvertasegenefamily:identification,phylogenyandexpressionpatterns[J].Biotechnology&BiotechnologicalEquipment,2020,34(1):319-329.[11]尚璐.木薯碱性/中性转化酶MeNINV1互作蛋白的筛选[D].海口:海南大学,2018.[12]JiaLiqiang,ZhangBotao,MaoChuanzao,etal.OsCYT-INV1foralkaline/neutralinvertaseisinvolvedinrootcelldevelopmentandreproductivityinrice(OryzasativaL.)[J].Planta,2008,228(1):51-59.[13]TraceyWelham,JodiePike,IrmtraudHorst,etal.Acytosolicinvertaseisrequiredfornormalgrowthandcelldevelopmentinthemodellegume,Lotusjaponicas[J].JournalofExperimentalBotany,2009,60(12):3353-3365.[14]XiaopengQi,ZhongchangWu,JinhuiLi,etal.AtCYT-INV1,aneutralinvertase,isinvolvedinosmoticstress-inducedinhibitiononlateralrootgrowthinArabidopsis[J].PlantMolecularBiology,2007,64(5):575-587.[15]ColuccioLeskowCarla,ConteMariana,delPozoTalia,etal.ThecytosolicinvertaseNI6affectsvegetativegrowth,flowering,fruitset,andyieldintomato[J].Jou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