高等植物中的转化酶

高等植物中的转化酶转化酶的概念转化酶的分类分布转化酶在植物糖代谢中的作用转化酶基因的进化1 概概 念念转化酶（Invertase)，又称蔗糖酶或-呋喃果糖苷酶。是与蔗糖代谢密切相关的一种酶，催化蔗糖不可逆水解成葡萄糖和果糖。Sucrose+H2O-Glucose+Fructose与糖代谢相关的酶蔗糖磷酸合成酶（SPS）磷酸蔗糖磷酸化酶（SPP）蔗糖合成酶（SuSy）转化酶(Inv)2.1转化酶的分类转化酶的分类转化酶类型最适pH范围溶解性 底物是否糖基化细胞壁类型(酸性,细胞外)4.5-5.0不溶或可溶蔗糖/棉籽糖 是液泡类型(酸性)4.5-5.0可溶蔗糖/棉籽糖 是细胞质类型(中性/碱性)7.0-7.5可溶蔗糖 否2.2 转化酶在源和库细胞中的分布转化酶在源和库细胞中的分布淀粉VACINV质外体细胞质液泡CYTINVVACINV叶绿体CALVIN循环丙糖蔗糖葡萄糖果糖葡萄糖 果糖 蔗糖液泡蔗糖CYTINVCWINV库细胞源细胞蔗糖葡萄糖果糖果糖葡萄糖葡萄糖 果糖 蔗糖调节植物的生长发育和器官建成调节植物的生长发育和器官建成细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用液泡转化酶促进成熟器官液泡的蔗糖积累液泡转化酶促进成熟器官液泡的蔗糖积累调节淀粉合成调节淀粉合成一些酸性转化酶基因作用于病原防治一些酸性转化酶基因作用于病原防治细胞壁转化酶与抗衰老有关细胞壁转化酶与抗衰老有关酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关转化酶在信号传导中的作用转化酶在信号传导中的作用3 转化酶在植物糖代谢中的作用转化酶在植物糖代谢中的作用3.1 调节植物生长发育和器官建成调节植物生长发育和器官建成a.一般在植物的分生组织和快速生长的幼嫩的组织和器官中（如幼嫩的叶片、茎、根尖和果实等）细胞壁转化酶以及液泡转化酶的活性较高（Estruch和Beltran,1991;Xu等,1989）b.细胞壁转化酶和单糖转运蛋白互作控制细胞分裂和生长（Weschke等,2003）c.抑制转化酶基因表达植物生长异常（反义RNA技术）PhenotypicChangesinTransgenicPlantletsExpressingAntisensemRNAforVacuolarInvertaseorCellWallInvertaseAllplantletsweregrownonhalf-strengthMurashigeandSkoogmediumcontainingonlymacroelementsandmicroelementsand3%sucrose.ThetransgeniccontrolplantletsharborthepromoterofthegeneforcarrotcellwallinvertasefusedtotheGUSreportergene.(A)Antisenseplantletsforcellwallinvertase(Acwi-59,Acwi-65,andAcwi-76)andwild-type(WT)andtransgeniccontrolplantlets(B)Antisenseplantletsforvacuolarinvertase(Avi-34,Avi-47,andAvi-65)andwild-type(WT)andtransgeniccontrolplantlets反义mRNA技术研究转化酶功能（1）Source:PlantCell,Vol.11,177-190,February1999,Copyright1999,AmericanSocietyofPlantPhysiologistsPhenotypicChangesinMatureTransgenicPlantsPlantsweregrowninsoilinagrowthchamber.ThecontrolplantsaretransgenicandharborthepromoterofthegeneforcarrotcellwallinvertasefusedtotheGUSreportergene.(A)AnAcwiplantandacontrolplant(B)AnAviplantandacontrolplantSource:PlantCell,Vol.11,177-190,February1999,Copyright1999,AmericanSocietyofPlantPhysiologists反义mRNA技术研究转化酶功能（2）Electronmicroscopicpicturesofpollenfromwild-type(AandB)andtransgenicplants(C-F)(A)SEMpictureofwild-typepollen.(Bar=5m.)(B)TransmissionEM(TEM)pictureofwild-typepollen.(Bar=5m.)(C)SEMpictureofpollenfromNT23-4.(Bar=5m.)(D)TEMpictureofpollenfromNT23-4.(Bar=5m.)(E)SEMpictureofpollenfromNT23-6.(Bar=5m.)(F)TEMpictureofpollenfromNT23-6.(Bar=5m.)NT23-4representsoneoftheplantswhosepollenshowsgerminationefficienciesbetween25%and40%;NT23-6isoneoftheplantswithgerminationefficiency2%Source:Marc Goetz,PNAS 2001;98:6522-6527反义mRNA技术研究转化酶功能（3）3.2 细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用Bachelier等（1997）认为处于细胞壁的转化酶能调节蔗糖从韧皮部卸出，并且控制蔗糖吸收速度。Sturm和Tang（1999）认为细胞壁转化酶使蔗糖在源和库之间形成了浓度梯度，是蔗糖卸载的关键酶。细胞壁转化酶主要作用于质外体卸载(Wobus和Weber,1999;Weschke等,2003)3.3 液泡转化酶有利于成熟器官液泡积累蔗糖液泡转化酶有利于成熟器官液泡积累蔗糖a.蔗糖进入液泡具有代谢上的双重作用（Tauberger等,1999）b.液泡转化酶通过液泡的蔗糖循环，调节蔗糖从叶片输入液泡的有效性（Scholes等,1996）c.液泡转化酶在控制一些库组织的糖分平衡以及保持膨压上扮演重要角色（Koch和Zeng,2002)3.4 转化酶调节淀粉合成转化酶调节淀粉合成a.蔗糖和淀粉的代谢直接相关，而转化酶则被认为是控制淀粉合成的关键酶（Tiessen等,2002）b.转化酶活性与玉米子房的淀粉量有关(Zinselmeieretal.,1999)c.细胞壁转化酶活性的下降导致花药淀粉含量下降的（SheoranandSaini,1996;Dorionetal.,1996）3.5 一些转化酶基因参于病原防治一些转化酶基因参于病原防治a.植物受到一些病菌侵染后酸性转化酶被激活（Tang等,1996，Wacheter等,2003;Herbers和Sonnewald,1998）b.Jang和Sheen（1996）认为防御相关的基因就是受到转化酶参与的糖信号传导途径而被激活的c.Roitsch等（2003）则直接认为细胞壁转化酶不仅是糖代谢的关键酶，而且它同时也是一个PR（pathogenesis-related）蛋白植物激素细胞壁转化酶碳水化合物状态病菌侵染细胞壁转化酶在植物-病原相互反应中的功能模拟图JournalofExperimentalBotany,vol.54,3823.6 细胞壁转化酶与抗衰老有关细胞壁转化酶与抗衰老有关在SAG12启动子下抑制衰老进程转化酶基因超量表达叶片衰老异常延迟抑制表达Cytokinin不再抑制衰老细胞壁转化酶是抑制衰老必不可少的因子(MariaEncarnacionetal.,2004)转基因(SAG12:Cin1)抑制烟草叶片的衰老Theplantcell,16:1276-1287,20043.7 酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关a.酶的活性测定结果显示，干旱下蔗糖的积累是由于转化酶的活性下降所致(Sheoran 和 Saini,1996；Zinselmeier 等 1999)b.玉米研究中发现，干旱情况下转化酶的活性下降恰好发生在花药败育开始之前(Dorion等,1996)c.干旱胁迫下玉米叶片组织中己糖的积累伴随着液泡转化酶活性的大量诱导(Pelleschi等,1999)，并发现干旱下转化酶活性QTL与Ivr2连锁渗透调节信号损伤细胞壁转细胞壁转化酶化酶液泡转化酶干旱抗性干旱抗性细胞分裂&膨大调控干旱解毒反应信号生长抑制损伤控制和修复渗透平衡转化酶在植物干旱胁迫应对机制中的作用-理想模式图3.8 转化酶在信号传导中的作用转化酶在信号传导中的作用a.转化酶基因的表达受植物激素、非生物信号、致病信号的调控（Longetal.,2002;Trouverieetal.,2003;Roitschetal.,2000)b.由转化酶水解而来的己糖调控参与合成或感应激素的基因的表达（Rollandetal.,2002;Gibsonetal.,2004)蔗糖转化酶蔗糖合成酶果糖葡萄糖果糖UDP葡萄糖己糖信号？己糖信号蔗糖信号CurrentOpinioninPlantBiology,2004,7:235-246蔗糖裂解酶与糖信号传播途径4 转化酶基因的进化转化酶基因的进化a.酸性转化酶与来自呼吸真菌（酵母）和需氧细菌的转化酶有着密切的关系（Sturm 和 Chrispeels,1990）液泡类型的转化酶源于细胞壁转化酶(Nielsen 等,1997;Tague 等,1990)b.中性/碱性转化酶与光合细菌的转化酶密切相关（Vargas等,2003）原始真核细胞光合细菌类低等藻类以及高等植物自养型-合成蔗糖中性/碱性转化酶-胞质的酸性转化酶-细胞壁-液泡中性/碱性转化酶-胞质的呼吸非光合的真核细胞酸性转化酶-细胞壁-液泡(?)真细菌酸性转化酶-质膜异养型-消耗蔗糖获得线粒体获得叶绿体转化酶基因的进化过程感谢