植物的糖信号及其对碳氮代谢基因的调控.pdf

收稿 2001210212 修定 2002201215资助 国家自然科学基金项目(30170544)植物的糖信号及其对碳氮代谢基因的调控谢祝捷1 ,2 姜 东1 戴廷波1 曹卫星1(1南京农业大学农学院,农业部作物生长调控重点实验室,南京210095;2上海市农业科学院,上海市设施园艺技术重点实验室,上海201106)Sugar Signal and Its Regulation on C/ N Metabolism Gene in PlantXIE Zhu2Jie1 ,2, J IANGDong1, DAI Ting2Bo1, CAO Wei2Xing1(1Key Laboratory of Crops Growth Regulation , Ministry of A2griculture, College of Agronomy , Nanjing Agricultural University , Nanjing210095;2Shanghai Key Laboratory of ProtectedHorticultural Technology , Shanghai Academy of Agricultural Sciences , Shanghai201106)提要 介绍了植物蔗糖和己糖转运蛋白(SUT、HXT)及各自糖转运功能与调控,总结了不同糖类的胞内信号转导过程及其对碳、 氮代谢基因表达调控的最新研究进展,同时分析了蛋白激酶如己糖激酶(HXK)、SNF1相关激酶(SnRK1)等在植物糖信号转导中的作用,以及糖信号与氮信号的互作及对同化物分配的调控。

关键词 糖转运蛋白 蛋白激酶 信号转导 基因表达植物果实(籽粒)、 块茎(根)等贮藏器官积聚的 淀粉和蛋白质的相对含量在作物种和品种间差异 很大,同时还受环境条件和栽培措施的影响实践 证明育种和栽培措施可以改变作物贮藏器官内碳、 氮同化物的分配比例生理学家一直在研究作物 和土壤、 水分等环境因素互作影响产量、 品质形成 的机理,生物技术学家也正探索运用基因工程手段 对此加以改良为此,首先需要了解植物如何感知 碳、 氮代谢产物信号,并引发复杂的分子响应及生 理生化反应,特别是种子、 块茎和果实细胞如何感 知碳、 氮同化物,信号如何在胞内转导并调控相应 基因的表达,最终导致贮藏器官细胞作出对同化物 的转运、 分配和利用的分子响应及生理生化反应 近年来的研究表明,在高等植物中,蔗糖及其 衍生物不仅是光合同化物与能量的运输和贮藏形 式,而且是能被植物细胞感知,进而调控基因表达 和影响生理生化进程的强有力的信号分子本文 介绍糖的转运、 胞内信号转导及其对碳、 氮代谢基 因表达的调控1 糖转运蛋白及糖转运的调节在大多数植物中,蔗糖是糖类从源运输到库的 主要形式,己糖则包括多种重要的糖中间代谢产 物。

它们分别由蔗糖转运蛋白(SUT)家族和己糖 转运蛋白(HXT)家族感知并控制转运这些转运 蛋白沿代谢途径定位于关键位置,从而形成一个直 接控制同化物运载和分配的有效调节机制图1 显示了蔗糖转运蛋白和己糖转运蛋白在源、 库中的 分布和作用糖转运蛋白参与了糖和膜内外H+的共向转运,属次级转运系统有多个在植物源 库、 组织中表达的糖转运蛋白基因已被克隆[1～3] 研究表明,SUT参与韧皮部长距离运输中蔗 糖的装卸载SUT1在筛管中的定位研究结果显 示,蔗糖在茄科植物韧皮部中的装载是直接由质外体向筛管分子跨膜转运的[4]在番茄、 烟草、 马铃 薯、 拟南芥、 胡萝卜、 水稻和大豆等多种植物中,已 鉴定出相应的SU T基因,这些SU T基因均来源 于一个单基因家族蔗糖转运蛋白在源器官如叶 中大量表达蔗糖经韧皮部运转后,输入种子、 根、花粉等器官的库组织,同样在这些组织中SU T基 因表达蔗糖转运蛋白可将蔗糖直接转运入库细 胞或控制库强的蔗糖回收体(retrieval)中,这表明SUT对蔗糖在叶中韧皮部的装载和库中的卸载具 有双重作用另外,利用反义技术分析SU T表达受抑制的转基因植株也证实,SUT1对蔗糖在马铃 薯、 烟草等多种植物中的运转分配非常重要[5 ,6]。

在马铃薯反义SUT1转基因植株中,蔗糖的韧皮部 质外体装载受限,叶中蔗糖和淀粉含量比野生型增 加了5～10倍,己糖含量增加更高由于运输到库 器官中的碳水化合物减少,根的生长、 块茎产量及表观品质降低新近鉴定出的该家族一些成员还 直接参与一些生理过程,如供给花粉营养等[7]大 量的研究结果显示,SUT活性在细胞和亚细胞水平993植物生理学通讯 第38卷 第4期, 2002年8月图1 高等植物中糖的运转和糖转运蛋白的分布suc :蔗糖;gluc :葡萄糖;fruc :果糖;triose2P:磷酸丙糖上被高度地调节,以响应蔗糖浓度的变化、 昼夜节律和植物激素的刺激[1] 另一类转运蛋白家族即己糖类转运蛋白 (HXT) ,它们在不同植物种中具有广泛的单糖底物,如D2葡萄糖、32氧2甲基2葡萄糖、22脱氧2D2葡萄 糖、D2甘露糖和D2果糖第一个高等植物HX T基因的克隆是用小球藻( Chlorella kessleri)的HX T 基因经异源杂交获得的[8 ,9]已从拟南芥中鉴定出 含26个基因的转运蛋白家族,从其它植物中也分 离出多基因的转运蛋白家族HXT在库组织中的 表达证实同化物在韧皮部卸载中也存在质外体机制,即蔗糖可以直接从韧皮部释放到质外体中,并 在此被胞间蔗糖转化酶分解为单糖,随即被各自的HXT转运进入库细胞。

这一类家族成员受植物激素生物和机械胁迫的调节,且极具可调性以适应不同己糖转运的需要[1]显然,蔗糖浓度水平能够调节SUT活性,这种调控发生在转录水平上,也可以发生在蛋白质表达水平上如在甜菜中,高浓度蔗糖导致BvSUT蔗糖转运蛋白活性降低,同时其稳态mRNA水平下降[10]又如,对马铃薯的StSUT1和拟南芥的At2SUC2研究显示,尽管源、 库中转运蛋白在转录水平上相近,但源器官质膜上的糖转运生化活性明显高于库[6 ,11]另外,由于蔗糖、 己糖转运器和韧皮部卸载中起作用的胞壁蔗糖转化酶都能受激素调节,因此推测激素信号转导与糖运转之间可能存在某004植物生理学通讯 第38卷 第4期, 2002年8月些联系Smeekens[12]系统阐述了糖信号与植物激 素信号间可能存在的联系这些复杂信号的转导 和响应的互作过程称为对话(crosstalk ,即信息 “汇 通”) 糖的转运能够自动调控以适应植物生长发育进程的需要,例如分别处于生长阶段或已成熟的叶 中的H+2蔗糖共转运活性存在明显差异[11]近年 来的大量研究表明,很多SU T和HX T基因在源、 库组织中的表达具有高度专一性例如己糖和蔗 糖代谢分别对应库器官(如种子)中的不同发育阶段,即发育胚的细胞分裂分化阶段和贮藏物质的积 聚阶段。

可以推测编码HXT和SUT及糖代谢相 关酶基因的表达具有时空特异性同化物的装卸 载和转运能力、 源合成能力及库需求能力对植物的 生长发育均至关重要研究表明,在丙酮酸脱羧酶过量表达的植株中,碳水化合物输出率增加10倍, 这显示对同化物装卸载的增量调节潜力很大但 目前对其调控措施的了解还非常有限因此,深入研究H+2SUT/ HXT的专一性表达及其调控,对探索同化物的运转、 分配途径意义重大2 糖信号的转导及对基因表达的调控高等植物中,蔗糖和己糖通过多种信号途径调 节大量基因的表达,为植物适应环境条件的变化提 供相应机制,并控制重要的生理和发育进程,如光合作用、 同化物的合成分配和开花(图2)现已克 隆出拟南芥的许多糖调节基因,鉴定出许多突变体 并已用于糖信号研究[12]这些突变体的鉴定筛选 方法可归纳为:(1)报告基因鉴定法,如将糖诱导或 糖抑制基因的启动子与GUS或L UC融合后转入拟南芥植株,以筛选糖信号响应的突变体,这种方 法筛选出的有sun和rsr等突变体;(2)糖诱导基因 的生理效应鉴定法,如利用糖诱导的β 2淀粉酶基因 表达活性鉴定出lba ,利用糖浓度对植株生长影响 鉴定出gin和cai等突变体,以及通过己糖激酶(HXK)只能利用部分种类己糖作底物,从而抑制萌发,分离出mig、sig、gss、sss等突变体。

图2 糖信号在胞内的转导及对基因表达的调控途径HXT:已糖转运蛋白;SUT:蔗糖转运蛋白104植物生理学通讯 第38卷 第4期, 2002年8月蔗糖专一性调控的基因包括拟南芥亮氨酸拉 链基因、 农杆菌转录因子A TB2和rolC基因蔗 糖还可以抑制一些编码光合基因的转录,如叶绿素a/ b结合蛋白(CAB)、 核酮糖21 ,52二磷酸羧化/加氧 酶(Rubisco)和质体蓝素(plastocyanin)等基因,另外,高浓度蔗糖能在转录水平上调节甜菜SUT(Bv2SUT)的稳态mRNA水平[13 ,14]值得注意的是,转 运入胞内的蔗糖通常可降解为葡萄糖,参与己糖激 酶依赖性转导途径 根据是否依赖己糖激酶(HXK) ,将己糖专一性调控基因表达的信号转导途径分为己糖激酶依赖 性转导途径和非依赖性转导途径[1 ,14]碳水化合 物响应基因又可分为饱和激发型和饥饿激发型两 类响应基因:饱和激发型基因在糖浓度水平高于一 定浓度时,刺激基因的表达,称为饱和响应;饥饿激发型基因在碳水化合物缺少时被诱导,称为饥饿响 应己糖激酶依赖性转导途径中的HXK在一类典 型的饥饿激发型基因糖信号转导和响应过程中起 作用(图2) ,即当HXK的己糖底物如22脱氧葡萄 糖、 甘露糖、D2葡萄糖存在时,经相应的专一HXT转运入膜内后,通过己糖激酶而磷酸化。

磷酸化的 己糖本身并不直接抑制基因表达,而是通过抑制己 糖激酶的活性,从而阻断22脱氧葡萄糖、 甘露糖依 赖性基因的表达;当缺乏这类己糖底物时,HXK不 能够将己糖磷酸化,基因被诱导,从而实现 “饥饿响应” 这些基因包括控制光合的基因和参与乙醛酸 循环的基因Jang等[15]研究拟南芥植株被抑制的AtHX K1和AtHX K2基因的转基因反义表达中, 观察到其中一些典型的饥饿响应基因如Rubisco和CAB等的葡萄糖依赖性表达特性明显减弱,即基因表达对葡萄糖浓度的敏感性降低,进一步证实HXK参与植物胞内糖信号转导有趣的是,过量 表达酵母菌HXK基因的拟南芥植株,与受抑制表 达的AtHXK反义基因的植株相似,也同样未产生饥 饿响应在HXK非依赖性信号途径中,由于62脱氧葡 萄糖、32氧2甲基葡萄糖等己糖不是HXK的底物, 故不经过HXK磷酸化,而可能是通过调控己糖转 运以控制其浓度水平,所调控的基因是一类典型的 饱和响应基因如Godt等[16]发现红藜(Chenopdi2um rubrum)悬浮细胞中的蔗糖合成酶基因和蔗糖 转化酶基因表达为62脱氧葡萄糖所诱导;在转基 因拟南芥中,32氧2甲基葡萄糖激活与β 2葡糖苷酸酶基因结合的patatin classⅠ 启动子[17]。

糖信号是胞内信号网络的一部分尽管糖类 是许多基因表达的重要调节因子,但除上述的可能 途径外,人们对其信号转导的其它中间步骤还知之 甚少植物胞内信号转导途径非常复杂,但与动物和真菌相似,很多参与信号途径的蛋白质都被磷酸 化和去磷酸化调控,两者分别由蛋白激酶和蛋白磷 酸化酶催化,使靶蛋白活性发生相当大的变化由 于两个反应方向相反且相对独立,因此称其为生物 开关除以上介绍的HXK外,研究表明可能还有多种同时受Ca2 +调节的蛋白激酶参与糖类不同途 径的信号转导如甘薯的sporamin和β 2淀粉酶基 因的表达中,分别用蛋白质磷酸化酶和Ca2 +抑制 剂处理,结果糖专一性诱导作用降低,表明蛋白激 酶和Ca2 +参与以上基因表达[18 ,19]又如,抑制剂处理蛋白激酶,可促进糖依赖性的Rubisco表 达[20]另据报道,经糖处理后,一个定位于烟草。