韧皮部运输和防御作用的分子机理.doc

植物学通报 1999 , 16 (2) :113～ 121Chi nese B ulleti n of B ota ny①韧 皮 部 运 输 和 防 御 作 用 的 分 子 机 理卢 善 发 宋 艳 茹( 中 国 科 学 院 植 物 研 究 所 北 京 100093)摘 要 韧皮部是维管系统的重要组成部分 ,在物质 运 输 、 信 息 传 递 、 机 械 支 持 以 及 防 御 作 用 中 发 挥 重 要作用 近年来 ,在建立了一系列研究方法的基础上 ,对韧皮部运输和防御功能特别是 碳 水 化 合 物 装 载 和 卸 出机理进行了大量研究 ,克隆出 一 些 特 异 基 因 ,初 步 阐 明 了 韧 皮 部 装 载 的 分 子 机 制 ,取 得 可 喜 进 展 本文综述了一些相关研究结果 ,并提出几个有待解决的问题 关键词 维管系统 ,韧皮部 ,物质运输 ,防御作用MOL ECUL AR MEC HANISMS OF P HLO EM TRANSPO RTAND D EFENSELU Shan2Fa SONG Yan2Ru( Institute of Botany , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100093)Abstract Phloem is an important part of vascular system and plays a key role in material trans2portation , signal transmission , mechanical support and defense reaction. Recently , studies on mate2 rial transportation and signal transmission , especially the mechanism of loading and unloading of car2 bonhydrates , had made a great progress basing upon establishing a series of experimental system and methods. Several specific genes from phloem had been cloned. The molecular mechanism of phloem loading had also preliminarily been demonstrated. The authors reviewed some related results and raised some problems that should be solved in the future .Key words Vascular system , Phloem , Material transportation , Defense reaction近年来 ,维管组织的研究突破了传统的组织学 、 细胞学 、 生理学和生物化学方法 ,主要在 分子水平开展研究 ,成为当前植物发 育 生 物 学 研 究 热 点 之 一 。

作 为 维 管 系 统 重 要 组 成 部 分的韧皮部 , 不 仅 与 维 管 系 统 其 它 部 分 一 起 发 挥 传 递 信 息 ( 卢 善 发 和 杨 世 杰 , 1995a ;1995b ; 1996a ; 1996b) 、 机械支持的作用 ,还从光合 产 物 形 成 部 位 (源 ) 运 输 碳 水 化 合 物 、 氨 基 酸和其它营养物到营养的储藏和代谢 部 位 ( 库 ) ,在 物 质 运 输 过 程 中 发 挥 重 要 作 用 此 外韧皮部还具有有效的防御功能 ,在植物防卫体系中扮演重要角色 目前 ,韧皮部运输和防御功能特别是碳水化合物装载和卸出机理研究进展迅速 下面就这方面研究结果作一 介绍 1 韧 皮 部 特 异 基 因 产 物 的 研 究 方 法韧 皮部中存 在 许 多 蛋 白 质 , 如 小 麦 筛 管 汁 液 内 可 溶 性 蛋 白 达 100 多 种 ( Fisher 等 ,① 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (39700011) 1992) ,蓖麻下胚轴筛管汁液 中 也 有 115 种 之 多 ( Sakuth 等 ,1993) ,其 中 许 多 蛋 白 质 的 功 能至今仍知之甚少 。

对这些蛋白及其基因的研究有助于了解韧皮部功能及其机制 研究方法之一为先收集韧皮部汁液 ,再纯化其中的蛋白质 ,最后鉴定蛋白质功能 用此方法 ,现已鉴定和纯化了 1 个丝状 P 蛋白 ( Sabnis 和 Hart ,1978 ; Kollmann ,1980) 和 1 个韧 皮 部 凝 集 素 ( Bostwich 和 Thomp son , 1993 ) 对 凝 集 素 基 因 的 核 苷 酸 序 列 ( Bostwich 和 Thomp son ,1993) 和表达部位 (Bostwich 等 ,1992) 也进 行 了 研 究 由 于 许 多 植 物 的 韧 皮 部 汁 液难以收集得到 ,许多膜蛋白 、 细胞器蛋白以及在筛管周围起重要作用的酶在汁液中也难以找到 ( Geigenberger 等 ,1993) ,因此此方法有很大的局限性 研究方法之二是 Ripp 等于 1988 年建立的 他们发现 蔗 糖 的 类 似 物 6’2HABS 能 竞 争 性抑制 14 C 蔗糖进入离体 大 豆 子 叶 的 原 生 质 体 中 ,认 为 这 可 能 是 6’2HABS 竞 争 蔗 糖 运 输 载 体的结果 。

用 125 I26’2HABS 标 记 发 育 大 豆 子 叶 膜 蛋 白 , SDS2PAGE 分 析 找 到 一 个 62 kD 的 蔗糖结合蛋白 (62 kD SBP) SB P 基因的核苷酸序列及其表 达 进 行 研 究 发 现 ,它 可 在 幼叶 的叶肉细胞 、 成熟韧 皮 部 的 伴 胞 以 及 正 成 熟 的 子 叶 细 胞 中 表 达 ,表 达 与 蔗 糖 的 吸 收 有 关 但 SBP 蛋白不是蔗糖酶 ,在蔗糖运输中也不单独起作用 ( Grimes 等 ,1992) 研 究方法之三是 Toth 等于 1994 年建立 的 他 们 诱 导 外 植 体 在 离 体 条 件 下 先 分 化 形 成愈伤组织 ,再分化成韧皮部 (包括筛分子和伴胞 ) ,然后分离其中的筛分子 利用分离的 筛分子免疫 BALB/ L 老鼠 ,获得单克隆抗体后 ,用徒手切片和直接 免 疫 荧 光 技 术 鉴 定 这 些单克隆抗体 用此方法 ,他们发现了 1 个 89 kD ( Toth 等 ,1994) 和 1 个 57 kD ( P57) 的 蛋 白 质 (Wang 等 ,1995) 。

进一步研究表明 ,P57 是筛分子特异的 β 2淀粉酶 研究方法之四是 Riesmeier 等 (1992) 建立的突变体互补功能分析法 他们利用酵母突 变 株来克隆植物基因 野生型酵母可分泌 蔗 糖 酶 到 细 胞 外 水 解 蔗 糖 ,再 通 过 己 糖 运 输 系 统将己糖运入细胞内或在麦芽糖透性酶的作 用 下 吸 收 麦 芽 糖 ,因 此 它 能 在 以 蔗 糖 为 唯 一碳 源的培养基上生长 有一个酵母突变株 没 有 蔗 糖 酶 也 不 能 利 用 麦 芽 糖 ,因 此 它 不 能 在 以蔗糖为唯一碳源的培养基上生长 将马铃薯蔗糖合酶基因或没有信号肽的酵母蔗糖酶 基 因转入上述突变体 ,转基因突变体可代 谢 细 胞 内 蔗 糖 却 不 能 代 谢 细 胞 外 蔗 糖 将 菠 菜 叶片 cDNA 转入上述转基因突变 株 ,筛 选 出 能 利 用 细 胞 外 蔗 糖 的 转 化 子 进 一 步 分 析 后 得到编码蔗糖 运 输 载 体 的 pS 21 ( SoSUT1) 基 因 Riesmeier 等 (1993) 还 利 用 相 似 的 方 法 鉴定 出马铃 薯 蔗 糖 运 输 载 体 StSUT1 。

此 载 体 位 于 小 叶 脉 , 在 韧 皮 部 运 输 中 起 重 要 作 用( Riesmeier 等 ,1994) 此 外 ,利用纯化的蛋白质制备的抗体 ,结 合 免 疫 组 织 化 学 技 术 ,找 到 了 位 于 韧 皮 部 的 水 苏糖合酶 ( Holthaus 和 Schmitz ,1991a ; 1991b) 和 肌 醇 半 乳 糖 苷 合 成 酶 (Beebe 和 Turgeon ,1992) 利用启动子与 GUS 基因构成的融合基 因 进 行 转 基 因 研 究 ,结 合 组 织 化 学 染 色 ,发现了几个指导基因在韧皮部表达的启动子 ,如玉米蔗糖合酶 21 基因 ( sh) ( Yang 和 Christou ,1990) 、 拟南芥 菜 H + 2ATP 酶 基 因 ( DeWitt 等 , 1991) 、 拟 南 芥 菜 蔗 糖 合 酶 基 因 ( Martin 等 ,1993) 和水稻蔗糖合酶 21 基因 ( Shi 等 ,1994) 2 韧 皮 部 物 质 的 运 输211 韧皮部有机氮的运输2 期 卢善发等 : 韧皮部运输和防御作用的分子机理 115韧 皮部可将有机营 养 物 质 从 源 运 输 到 库 。

其 中 有 机 氮 是 主 要 成 分 之 一 对 氮 代 谢GS/ GDGAT 循环的第一个关键酶谷氨酰胺合成酶 ( GS , EC 6 . 3 . 1 . 2) 的 研 究 表 明 ,此 酶 包 括 细胞质 GS 和叶绿体 GS ,其基因表达具有组 织 特 异 性 有 些 细 胞 质 GS 仅 在 根 瘤 中 表 达 马 铃薯叶片中的 GS 在叶肉 细 胞 的 叶 绿 体 和 筛 管 伴 胞 的 细 胞 质 中 表 达 ( Pereira 等 ,1992) 菜 豆细胞质 GS 基因 ( gln2β) 的 启 动 子 指 导 GUS 基 因 在 百 脉 根 成 熟 根 瘤 的 维 管 束 中 表 达( Forde 等 ,1989) 豌豆细胞质 GS 基因 ( GS 3 A ) 的启动子指导 GUS 基因在烟草成熟 植 株 的 根 、 茎 、 叶和幼苗的根和子叶的韧皮部中 特 异 表 达 这 些 位 于 韧 皮 部 的 GS 同 工 酶 催 化 谷氨酰胺合成 ,参与细胞间氮的运输 ( Edwards 等 ,1990) 实 验 表 明 ,氨 基 酸 在 氨 基 酸 载 体 的 帮助下通过质子氨基酸共运输进入细胞 。

Li 和 Bush (1990) 从膜囊泡中分离鉴定了 4 个 氨 基酸运输载体 ,包括 1 个酸性氨基酸共运输载体 ,1 个碱性氨基酸共运输 载 体 ,2 个 中 性 氨 基酸共运输载体 对韧皮部有机氮的装卸及运输机制还有待进一步研究 2 . 2 韧皮部碳水化合物的运输2 . 2 . 1 韧皮部碳水化合物的 装 载 在 韧 皮 部 物 质 运 输 研 究 中 ,对 韧 皮 部 碳 水 化 合 物 的研 究较多 韧皮部汁液包含多种糖如单 糖 (葡 萄 糖 、 果 糖 ) 、 二 糖 ( 蔗 糖 ) 、 寡 糖 ( 棉 子 糖 、 水苏糖 ) 、 糖醇 (山梨醇 、 甘露醇 ) 等 在筛管伴胞 复 合 体 与 相 邻 细 胞 间 存 在 丰 富 胞 间 连 丝 的 植 物中 ,20 %～ 80 %的糖为棉子 糖 及 其 相 关 成 分 在 较 少 胞 间 连 丝 的 植 物 中 主 要 为 蔗 糖(Van Bel ,1993) 韧皮部。