【《蔗糖转化酶的研究文献综述》4300字】

第蔗糖转化酶的研究文献综述1.1蔗糖转化酶的分类在适宜条件下，植物能够将二氧化碳转化为糖类，以这种方式维持它们的生长和发育。这些糖，特别是蔗糖，在光合作用和非光合作用活性组织中被分割。蔗糖是光合作用的主要产物。植物中的蔗糖及其分解产物参与植物的代谢、生长发育、物质运输和基因表达。各种途径积极参与蔗糖的运输和分配，无论是在不同的亚细胞间还是在不同的植物区之间。蔗糖是碳水化合物从光合活性组织，即“源”组织（主要是成熟叶）运输到非光合“库”组织（如根、花、果实、种子）中的主要形式，到达库组织后，蔗糖被分解成己糖或衍生物，才能被库细胞进行进一步贮存或利用[1]。在高等植物中，转化酶是一种广泛存在的酶，通过各种途径积极参与蔗糖的运输和分配，无论是在不同的亚细胞间还是在不同的植物区之间。它催化蔗糖转化为果糖和葡萄糖。植物蔗糖酶及其底物在植物初级代谢和细胞分化中起着积极作用，并通过这些活动维持植物的发育和生长。转化酶自然存在于多种亚型中，已知其具有高度分化和组织特异性，每一种亚型都是植物特定部位的特征。蔗糖合成酶的功能是催化蔗糖裂解反应，与蔗糖转化酶的功能相同。蔗糖合成酶（SucroseSynthase，SUS）的功能是加快蔗糖的合成过程和分解过程，且不消耗ATP，而蔗糖转化酶（SucroseInvertase，INV）将蔗糖水解后，产生葡萄糖和果糖，但是却不能逆转这一过程。这两种酶调节了植物的生长发育过程[2]。INV广泛存在于生物中，根据INV亚细胞定位的不同可将其分为：细胞壁转化酶（Cellwallinvertase，CWINV）、液泡转化酶（Vacuolarinvertase，VINV）和细胞质转化酶（Cytoplasmicinvertase，CINV）。另一种分类是根据最适pH值，可将其分为：酸性蔗糖转化酶、中性蔗糖转化酶和碱性蔗糖转化酶。CWINV和VINV都属于第一种，酶学特性有极大的相似性，当其水解时，会产生蔗糖和β-果糖类寡糖；而CINV则属于后两种[3]。碱性/中性转化酶是植物正常生长、发育和抗胁迫所必需的，有研究从柑橘抗寒亲缘植物枳（Poncirustrifoliata）中分离到一个A/N-INV基因（PtrA/NINV），并进行了功能鉴定。发现PtrA/NINV是涉及蔗糖分解的重要基因，通过促进渗透调节、活性氧（ROS）解毒和光合效率，在非生物胁迫耐受中发挥积极作用[4]。同时，根据溶解度进行划分，可将其分为可溶性和不可溶性。VINV和CINV属于可溶性蛋白，CWINV被束缚在细胞壁上，属于不可溶性蛋白。2008年，Bocock等人通过研究毛果杨的蔗糖转化酶基因家族，揭示了毛果杨含有24个蔗糖转化酶基因，包括5个细胞壁转化酶基因（CWINV1-5）、3个液泡转化酶基因（VINV1-3）和16个细胞质转化酶基因（CINV1-16），分布在14条染色体上[5]。根据根、茎、叶的RNA-seq数据，CWINV1和CWINV2在叶中高表达，在茎中低表达，在根中几乎不表达。CWINV3基因在叶和茎中高表达。CWINV4和CWINV5基因在根、茎、叶中的表达较低。不同的转化酶的基因根据组织和发育时期而特异性表达，同时与植物的各种生理功能相关[6]。1.2蔗糖转化酶的结构有研究表明，高等植物蔗糖转化酶的INV是由多基因家族编码的蛋白，在同一植物中的不同INV，氨基酸序列较为不同，而不同植物中的同种INV则与之相反。2002年，通过刘慧英等人的研究可知，通常长度为2000-2500bp的基因INV，编码的蛋白质由500个数量左右的氨基酸组成。对该转化酶家族的氨基酸序列进行分析，可以发现两个共同特征，即靠近N端的五肽NDPNG，以及高度保守的靠近C端的WECXDF序列。此外，液泡转化酶还包含一个短的疏水C端序列，可能参与液泡靶向。据报道，这些酶被合成为前酶，携带最可能由一个信号肽和一个前肽组成的N端序列。N端序列的功能尚不清楚，可能在蛋白质折叠、靶向和调控中发挥作用[7]。研究发现，CWINV与VINV存在不同，区分两者的方法是，VINV具有一个特有的疏水C端（羧基端）延伸区，而这个特有的结构是CWINV中不存在的。这个区别的产生可能与VINV在液泡中的定位有关[8]。2013年，俞锞等人通过pH实验观察蔗糖转化酶的结构，结果表明，VINV的氨基端有糖基化现象，而CINV的氨基端则无。糖基化修饰在CWINV和VINV跨膜运输过程中发挥重要作用。CWINV与VINV的区别还在于两者的半胱氨酸催化结构域不同，脯氨酸残基（Pro）是前者的位点，缬氨酸残基（Val）是后者的位点[9]。1.3蔗糖转化酶的功能蔗糖转化酶可以将蔗糖水解为己糖，这个过程的不可逆性，表明了该酶在糖分子信号途径中的重要性，表明蔗糖转化酶是己糖信号途径中的关键酶。蔗糖及其裂解产物葡萄糖和果糖是高等植物碳水化合物转运、代谢和传感的中心分子。植物具有三种类型的转化酶，分别位于外质体、细胞质和液泡中。细胞外和液泡内转化酶同工酶是植物生命周期和对环境刺激反应的各个方面的关键代谢酶，蔗糖酶可以单独或与植物激素结合调控植物生长发育的许多方面，从基因表达到远距离营养分配，参与调节碳水化合物分配、发育过程、激素反应以及生物与非生物的相互作用。Jang等人通过研究对糖具有敏感性的拟南芥植物，发现蔗糖转化酶缺少会导致植物的发育受到阻碍，但是在通过从外界中向植物加入蔗糖类物质这一方法，并不能使植物在受到阻碍后造成的缺陷得到弥补和改善，这种作用是不可逆转的[10]。CINV在植物生长发育方面具有一定作用。此前，Barratt等人通过研究发现，缺乏CINV1和CINV2的拟南芥双突变体表现出显著的生长下降。与野生型相比，突变体中CINV的活性只有其原来的60%，从而阻碍了拟南芥的根系生长。生化和成像数据表明，cinv1cinv2幼苗缺乏UDP-葡萄糖的生产，表现出异常的纤维素生物合成和微管特性，并改变了纤维素组织，而基质多糖组成没有实质性的变化，这表明CINV/UGP途径是拟南芥中UDP-葡萄糖合成的一个关键代谢途径，说明CINV活性对纤维素生物合成发挥着重要作用[11]。此外，在杂交杨树中利用RNAi技术降低蔗糖转化酶活性导致UDPG含量减少进而也使木材纤维素含量降低。说明木材纤维素的合成与UDPG含量有关[12]。蔗糖从韧皮部运输到库组织的过程中，CWINV可以水解细胞外的蔗糖，从而维持蔗糖的浓度梯度。2019年，辛曙丽等的研究表明，CWINV促进了番茄果实的生长以及发育但是却阻遏了番茄种子的发育[13]。Goetz等人通过克隆烟草同工酶Nin88的编码基因，发现烟草中CWINV基因Nin88在其启动子的作用下，发生组织特异性翻译抑制，导致花粉早期发育受阻，从而使花粉雄性不育，证明烟草同工酶Nin88的编码基因具有特定的时空表达模式。研究发现CWINV基因在植物花粉发育过程中具有重要作用，并有力地支持细胞外蔗糖裂解为通过外质体向组织提供碳水化合物的必要功能，花粉形成过程中对韧皮部卸荷、糖状态和代谢信号的特异性干扰将是一种潜在的有价值的方法来诱导各种作物的雄性不育，用于杂交种子生产[14]。VINV包含一个短的疏水C端序列，可能参与液泡靶向。VINV在液泡中催化蔗糖水解为己糖，VINV活性与许多器官中己糖的积累有关，在很多膨大的组织中如发育中的马铃薯块茎、胡萝卜主根、玉米子房等，VINV酶的活性都较高。一般情况下，VINV可以调节细胞膨大，主要依赖于蔗糖被水解为两个己糖分子，从而增加了渗透作用，而这一作用的增加使得更多的水分流入了细胞内部，结果导致细胞膨大[15]。液泡转化酶一直被认为是细胞扩张的主要因素。有研究发现，VIN在伸长纤维中的活性约为叶片、茎和根的4-6倍。在无纤维棉籽表皮中检测不到，但在起始纤维中明显，在快速伸长时保持高强度，在伸长减缓时下降。此外，纤维伸长快的基因型比慢的基因型具有更高的VIN活性和己糖水平。相比之下，细胞壁或细胞质转化酶活性与纤维伸长没有相关性。VIN活性和纤维伸长密切相关。VIN以渗透依赖和独立的方式调节纤维的伸长[16]。1.4细胞壁蔗糖转化酶细胞壁转化酶在催化糖降解过程中发挥了及其重要的作用，在植物生长发育、同化物分配和调节库强等方面具有重要作用。CWINV不溶于水，它在与细胞壁结合时，产生离子键，蔗糖通过韧皮部进入库细胞，可以通过质外体途径，也可以通过胞间连丝来进行运输。CWINV将蔗糖裂解为葡萄糖和果糖，这一过程是不可逆转的。当蔗糖进行水解后，通过己糖转运蛋白进入细胞质。有研究表明，玉米（Viciafaba）的MInlaturel（Mnl）基因位点可以编码一种同菌酶，而蚕豆（Viciafaba）的CWINV1基因可以编码细胞壁结合转化酶，表达于种皮卸荷区，参与种子的生长发育。综上所述，在玉米胚乳和蚕豆种皮都存在较强的CWINV活性[17,18]。有研究表明，CWINV影响胚的生长状况，决定种子的生长发育过程以及碳水化合物的组成。CWINV通过参与蔗糖的质外体运输途径与在运输过程中的降解，进而影响植物的花、种子和果实的发育。研究证明，通过RNA干扰技术（RNAi）抑制CWINV基因的表达，并生成转基因番茄。转化后的植株花和果实形态发生变化，花瓣和萼片数量增加，果实败育率增加，果实大小减小，证明CWINV基因会影响番茄的正常生长发育[19]。2019年，辛曙丽等的研究表明，CWINV促进了番茄果实的生长以及发育但是却阻遏了番茄种子的发育[13]。当CWINV基因突变后，其活性会降低，抑制了存在于胚乳中的细胞分裂和膨大活动，具体表现是种子变小[20]。此外，甜菜、水稻、玉米等植物中也发现了能够导致上述相似的功能缺陷的CWINV基因家族成员。近期也有研究指出棉花CWINV基因与纤维素含量有关。2012年，棉花中的原位杂交实验表明，CWINV基因定位于棉花胚珠的纤维起始处。同时，半定量实验结果显示，CWINV基因在纤维处高量表达。由此推测，CWINV基因参与棉花中纤维素的合成调控[16]。参考文献[1]张懿,张大兵,刘曼.植物体内糖分子的长距离运输及其分子机制[J].植物学报,2015,50(1):107-121.[2]蓝基贤,唐朝荣.高等植物中转化酶生理生化特性的研究进展[J].热带作物学报,2012,33(9):1702-1707.[3]SturmA.Invertases:Primarystructures,functions,androlesinplantdevelopmentandsucrosepartitioning[J].PlantPhysiology,1999,121(1):1-8.[4]DahroB,FWang,PengT,etal.PtrA/NINV,analkaline/neutralinvertasegeneofPoncirustrifoliata,confersenhancedtolerancetomultipleabioticstressesbymodulatingROSlevelsandmaintainingphotosyntheticefficiency[J].BmcPlantBiology,2016,16(1):76.[5]BocockPN,MorseAM,DervinisC.EvolutionanddiversityofinvertasegenesinPopulustrichocarpa[J].Planta,2008,227(3):565-576.[6]PanQH,ZhangDP.Plantacidinvertasegeneandregulationofitsexpression[J].ChinBullBot,2005,22(2):129-137.[7]FarciD,ColluG,KirkpatrickJ,etal.RhVI1isamembrane-anchoredvacuolarinvertasehighlyexpressedinRosahybridaL.Petals[J].JournalofExperime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