小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶研究进展.docx
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小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶研究进展
小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的研究进展
作物杂志Crops2008.6
小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖
焦磷酸化酶的研究进展术
姜丽娜李冬芬李春喜邵云
摘要植物蔗糖合成酶（SS）和腺苷二磷酸
葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）在植物淀粉生物合成
过程中起着重要的作用,淀粉是小麦等禾谷类作
物子粒胚乳的重要组成成分,与作物的产量和品
质密切相关.综述了小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷
酸葡萄糖焦磷酸化酶的细胞定位生物学功能,分
子生物学分析及酶活性的调控,并进一步对两种
酶的研究作出设想.
关键词小麦;蔗糖合成酶;腺苷二磷酸葡萄
糖焦磷酸化酶
蔗糖合成酶（ss）是蔗糖代谢关键酶中极其重要
的一种酶,催化反应:
尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）+
作者简介:
姜丽娜,副教授,主要从事小麦栽培生理研究工作,河南
师范大学生命科学学院,453007,河南新乡
李冬芬,李春喜,邵云,通讯地址同第1作者
基金项目:
”十一五”国家科技支撑计划（2006BAI）o2AI5,
2OO6BAK02A25）资助
收稿日期:
2008—08—05:
修回日期:
2008—10—28
果糖一蔗糖+尿苷二磷酸（UDP）.蔗糖合成最适
pH值8.0～9.5,蔗糖裂解最适pH值5.5～6.5.
在小麦旗叶中,ss参与蔗糖的合成,在子粒中,ss
的作用主要是催化子粒中蔗糖的降解,为淀粉合
成提供前提物质.AGPase催化1一磷酸葡萄糖
（G1P）与三磷酸腺苷（ATP）反应形成ADPG,其作
为合成淀粉的直接底物,是子粒发育过程中控制
淀粉含量的酶.AGPase表达受抑制或过量表达会
引起淀粉含量的下降或增加,本文就近年来有
关两种酶的研究进展做一介绍.
l酶的功能及细胞定位
1.1蔗糖合成酶
蔗糖合成酶是由Cardini等于1955年首次在
小麦胚芽中发现.目前国外研究者已成功地将sS
基因从小麦中克隆出来j,随着研究的不断深入,
已知ss在小麦等作物产量调控方面具有重要的
ResearchAdvancesonthePigmentDegradationand
ItsRegulationMeasuresduringtheFlue--cured
TobaccoCuring
SongZhaopeng,JingYongfeng,LiChangjun3,QiYongjie4,
ZhangQinsong3,
GongChangrong’
（CollegeofAgronomy,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,Henan;ChineseTobaccoIndustrialCorporationof
Hunan,Changsha410000,Hunan;FengjieTobaccoCompanyofChongqing,Fengjie404600,Chongqing;Chinese
TobaccoIndustrialCorporationofGuangxi,Nanning530001,Guangxi,China）
AbstractThedegradationofpigmentduringtheflue—curedtobaccocuringhadgreateffectsontobaccoquality.In
ordertoexplorepigmentdegradationmechanismduringcuring,understandrelationshipsbetweenthepigmentdegra-
tionanditschangesonthetobaccointercellandlookfornewwaystoreducethepigmentcontent,theresearchad—
vancesonthetobaccopigmentduringcuringweresummarized,includingthecontentsoftobaccopigment,thedegra—
dationmechanismofitsmajorconstituent,thechangesofpigmentcontentsduringcuringanditsregulationmeasure.
KeywordsFlue-curedtobacco;Curing;Pigment;Regulation
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2008.6作物杂志Crops
作用.SS是一种胞质酶,是促使蔗糖进入各种代
谢途径的关键酶之一3j,在大多数植物的贮藏器
官中得到明显的表达,其活性通常与淀粉的积累
或者器官的生长发育相联系.目前SS已经被
确认有两种不同的存在形式SSI和SSI!
大部分以
可溶性状态存在于细胞质中,有些不溶性的SS则
附着在细胞膜上.
SS可催化蔗糖合成与分解,但通常认为sS主
要起分解蔗糖的作用,研究表明,其分解产物尿
苷二磷酸葡萄糖（UDPG）可为细胞壁构建和糖酵
解代谢提供底物,同时也是支链淀粉和直链淀粉
合成的前体,淀粉是小麦子粒的主要组成成分,
子粒的灌浆充实过程,主要是胚乳中淀粉的合成
与积累过程,SS是蔗糖向淀粉转化过程中的第1
个限速酶,其活性高低和持续期长短决定着子粒
的灌浆速率和持续时间,并与子粒的体积和重量
密切相关.李春燕等研究表明,SS活性与蔗糖
含量变化及淀粉合成速率变化相吻合,当ss活性
处于较高水平时,蔗糖消耗很快,其含量显着降
低,而此时也正是淀粉合成的高峰期.王旭东
等也曾提到ss是子粒中蔗糖降解的关键酶,与
淀粉合成的快慢和粒重呈正相关,SS活性增强,有
利于淀粉合成和粒重的提高.因此,子粒中sS调
节着淀粉的合成,其活性的高低反映了子粒降解
利用蔗糖的能力¨,ss活性高,则合成淀粉的底
物就充足.现已证明该酶是小麦子粒淀粉合成的
一
个调控因子.Wang等0把库器官中SS的
活性作为库强度的标志,而谢祝捷等”的分析结
果却表明,小麦子粒淀粉产量和含量与蔗糖磷酸
合成酶（SPS）,可溶性淀粉合成酶（SSS）和淀粉合
成酶（GBSS）活性的关系比与SS活性的关系更为
密切.因此关于ss在小麦淀粉合成中的地位和
影响程度还有待进一步研究.
1.2腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶
AGPase多存在于植物叶片和贮藏器官中,其
在光合细胞中定位于质体内,而在非光合器官中
的定位却尚无定论.小麦等禾谷类作物胚乳中有
两种不同形式的AGPase,它们分别是胞质的和质
体的,其中胞质形式占65%～95%的活性.
AGPase在植物体内催化由蔗糖得到的G1P
与ATP反应形成腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）并释
放Pi,而ADPG作为淀粉合成酶的底物参与直链
12
淀粉和支链淀粉的合成,是水稻,小麦,玉米,马铃
薯等作物淀粉合成的关键酶,其活性大小与淀粉
积累速率和灌浆速率呈正相关¨.小麦淀粉合成
关键酶活性及其与子粒淀粉积累速率关系的研究
也表明,AGPase活性与直链淀粉,支链淀粉,总淀
粉的积累速率及灌浆速率呈极显着正相关.于
振文等研究表明,开花后7d,14d,21d,28d和
35d小麦子粒AGPase活性与各期总淀粉积累速率
均呈显着或极显着正相关.
1.3SS,AGPase与淀粉合成
子粒中淀粉合成的第一步反应是蔗糖在ss的
催化下,分解成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）和果糖
（F）,然后再经一系列反应生成淀粉,参与淀粉
合成的酶很多,如SS,AGPase,淀粉合成酶,淀粉分
支酶等,Nakamura等17]认为AGPase和淀粉分支
酶是控制淀粉合成的关键酶;Jener等¨认为ss,
AGPase均为调节淀粉合成的因子;而梁建生
等1,姜东等11¨认为SS,AGPase等是淀粉合成的
关键酶;也有研究表明在田间条件下,麦类作物胚
乳淀粉合成速率,可能受可溶性淀粉合成酶控制
要比受AGPase活性的丧失使子粒灌浆停止有更
明确的关系;直链淀粉和支链淀粉合成速率与
淀粉合成有关酶活性的相关分析表明,支链淀粉
合成速率与SS,AGPase的活性呈极显着正相关,
直链淀粉合成速率与SS,AGPase的活性分别呈极
显着正相关,显着相关_】.总之,前人的报道均证
明子粒淀粉合成过程主要受SS,AGPase等酶的催
化,在子粒淀粉积累过程中,Ss和AGPase均起重
要作用,但是对于二者在淀粉合成中作用大小的
认识也存在着较大的差异:
Preiss等认为
AGPase为淀粉生物合成的限速酶,该酶活性的大
小直接关系到淀粉合成的速率和最终淀粉合成量
的多寡;Okita等则指出,ss活性大小与淀粉积
累的量相一致;亦有研究表明在淀粉的生物合成
中,AGPase的活性变化对淀粉产量的影响较大,sS
和UDPG焦磷酸化酶也能催化淀粉的合成,李
春燕等_8]研究表明,子粒灌浆前期ss起着重要作
用,灌浆中期AGPase,SSS起主要作用,灌浆中后
期GBSS起主要作用,且子粒AGPase,SSS,GBSS
与子粒灌浆速率,淀粉积累速率达极显着正相关.
但在子粒整个灌浆过程淀粉合成途径中各种酶峰
值时间不一致,由此说明SS,AGPase等酶在子粒
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灌浆过程的不同时期共同协调淀粉的合成进程,
或者说它们对淀粉合成的作用在时间（时期）上可
能会有差异.
2分子生物学研究
2.1蔗糖合成酶
SS是相对分子质量为83—100kD的亚基构成
的四聚体.一般认为在大多数植物中ss至少
有两种同工酶,它们通常都有较高的氨基酸序列
同源性和相似性的生化性质,研究了黑麦草,绿
竹,菜豆,马铃薯等植物水溶性ss的结构,了解了
其核苷酸序列及其推导的氨基酸序列的结构特
征,整条肽链的疏水/亲水性,可能的亚细胞定位,
跨膜结构域,蛋白质的二级结构及功能域.但
是,目前对小麦SS这方面的研究尚属空白,因此,
用生物信息学方法探明小麦等禾谷类作物SS的
高级结构及其决定的潜在功能对了解整个糖代谢
意义重大.
ss基因的大小约5.9kb,eDNA的长度约
2.7kb,编码约820个氨基酸,在单子叶植物中由
两个非等位基因Susl和Sus2编码.六倍体小麦
的SuslmRNA在缺氧和冷休克（6~C）下迅速增加,
而Sus2mRNA不受影响;对其黄化叶进行光照,
SuslmRNA水平明显降低而Sus2mRNA水平增
加;SS基因在表达调控上明显不同,基因表达具
有发育和组织器官特异性一.目前研究者已深入
研究了水稻,拟南芥],玉米],柑橘的基
因家族成员,基因的表达,基因的功能.因此,对
小麦SS基因家族成员及其表达,SS同工酶的功能
的进一步研究将成为今后研究的一个方向.
2.2腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶
AGPase由两个大亚基（1AGPase）和两个小亚
基（SAGPase）组成的异型四聚体,分子量在200～
400kD,小麦包含与马铃薯块茎AGPase大小亚基
相似大小的肽链,即分子量为51kD的大亚基和
50kD的小亚基29j.小麦子粒中AGPase大小亚基
相对保守,氨基酸序列同源性大于85%,而大亚基
同源性相对较低,但高于物种自身大小亚基序列
间的同源性E30].AGPase的每个亚基都由不同的
基因编码日¨,且每种亚基都含有酶催化所必需的
基团,因而各自都能在缺少另一个亚基的情况下
维持酶活性,而两种亚基的共同存在则可协调
地进行催化工作.已有学者通过对马铃薯大小亚
基eDNA克隆分别或一起在E.coli中表达,从而确
定了每个亚基具有的特异性功能L33j.也有多位研
究者通过对不同植物大小亚基的重要氨基酸和结
构域的点突变研究发现,AGPase小亚基主要起合
成作用,大亚基主要起调节作用343.目前,六倍体
小麦AGPase的两个亚基已从其发育胚乳的eDNA
文库中获得:
Anisworth等一从中国春胚乳的eDNA
文库中筛选到编码该酶小亚基的eDNA克隆,开放
读码框为1422bp,推测编码产物的分子量为
521kD;用中国春缺体一四体系将该酶小亚基的基
因定位在7A,7B和7D染色体上,以单拷贝形式存
在,编码由473个氨基酸残基组成的蛋白质,存在
一
个由22个氨基酸组成的叶绿体/造粉体前导
肽;Oliver等E353获得大亚基eDNA克隆,但没有对
基因进行定位,由于AGPase在粗提时具有热稳定
性,然而要得到高纯度且稳定的酶却十分困难,因
此我们可以用上述方法将小麦AGPase大小亚基
eDNA克隆分别或一起在E.coil中表达,以用来确
定每个亚基是否具有特异性功能.
在基因表达的调节上,AGPase的调节方式属
于转录水平调节.AGPase基因的mRNA转录物
在花后15d达到最高水平,而此时淀粉的积累速
率最快,表明基因的表达促进了淀粉的积累.在
小麦子粒中,AGPase的含量和淀粉合成速率与
AGPase的mRNA含量成正相关一.也曾有研究
发现小麦开花后5d胚乳中有明显的mRNA积累,
并在开花后20～30d出现最高表达水平.相
反,叶片中AGPase大小亚基mRNA水平显着差异
与多肽水平的接近则说明了在叶片中转录后的调
控起主要作用.
3酶活性的调控
3.1蔗糖合成酶
研究表明,果糖和UDPG抑制SS的降解活性,
而UDP抑制酶的合成活性,葡萄糖对合成和降解都
有抑制作用;SS发挥活性需借助Mg,但zn,
Hg2+,
Cu2+,Fe,M,Co对酶活性均有抑制作
用E3,387.SS活性通常在合成淀粉或者细胞壁的组
织中最高,Stone等|4..指出,在淀粉合成过程
中,各种酶的活性变化一般表现为单峰曲线,但酶
活性的高低及其变化方式在基因型间有明显差
13
2008.6作物杂志Crops
异,依各地区生态条件和品种特性的不同而不同,
此外,其活性大小也受到温度等外界环境条件的
影响.
3.2腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶
AGPase的活性调节包括变构调节和共价调节
两种调控方式,对前者研究较为深入,而后者是通
过铁氧还蛋白一硫氧还蛋白系统介导调节AGPase
活性,但其调控机理目前尚不清楚.
Ghosh等¨认为AGPase是一个变构酶,主要
表现为被3磷酸甘油酸（3-PGA）激活和被Pi抑
制,当激活因子3-PGA与抑制因子Pi共同存在时,
将通过二者的比率来控制酶的活性,从而调控淀
粉的合成.在谷类作物的子粒中也存在AGPase,
但区别于叶绿体的AGPase,其活性对3一PGA和无
机磷不敏感,这可能是由于单子叶植物的进化
引起的,胞质内激活不敏感的AGPase是为适应胚
乳发育的调控需要;可能是由于位于胞质的AGPase
可减少质体中ATP的产生和Pi循环J.Diego
等也研究了对小麦胚乳和叶片中AGPase的调
控特性,结果表明胚乳中的AGPase对3.PGA和磷
酸的调节同样不敏感,而叶片中AGPase的活性能
显着地被3-PGA激活和被磷酸抑制.
AGPase除了可以被3-PGA变构激活外,二价
阳离子Mg,Mn也可以对其变构激活.同时
AGPase活性还受氧化还原势的修饰,还原力强时,
二硫键断开,酶被激活.
4研究展望
植物生理学,分子生物学和基因工程的发展,
对淀粉合成代谢途径的研究有了很大的突破,同
时植物的高效遗传转化体系的建立,使得利用转
基因的方法研究小麦子粒淀粉合成的途径成为可
能,在此基础上可以通过研究控制胚乳淀粉合成
的酶及基因来改变淀粉的产量和品质.
ss是淀粉合成的关键酶,在小麦等作物产量
调控方面具有重要的作用,可以借助分子生物学
手段和反向遗传手段进行遗传转化,进一步深入
研究小麦sS及其同工酶在植物体内的功能及作
用机制,以寻求提高作物品质和产量的技术措施.
AGPase具有表达的特异性,在不同组织,器官
和不同植物中的结构和表达是不同的,可以通过
基因手段将不同组织,器官,植物的AGPase基因
14
克隆转化来研究其性质.小麦中未见有AGPase
突变体的报道,但Smidansky等将改良过的玉
米AGPase大亚基基因2转入小麦并得到表
达,发现每株子粒产量和整个植株的生物产量分
别增加了38%和3l%.这一结果表明,转基因小
麦由于增加了AGPase的活性,提高了ADPG的水
平,进而增加了子粒的产量,因此有望通过提高
AGPase的活性,增加小麦的产量.
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