植物蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的研究進展

植物蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的研究進展

甘蔗和衍生物是許多高等植物高度誘導(dǎo)的碳運輸形式。植物光合作用產(chǎn)生的蔗糖,除用于自身代謝之外,大部分經(jīng)過韌皮部的長距離運輸?shù)竭_庫組織,供給植物生長發(fā)育需求。在同化物分配過程中,蔗糖從源葉裝載到韌皮部以及從韌皮部卸載進入庫組織細(xì)胞內(nèi),主要依賴于兩種不同的途徑,即共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑。共質(zhì)體途徑是通過胞間連絲進行的,質(zhì)外體途徑則是跨膜運動,需要特異的轉(zhuǎn)運蛋白(載體)介導(dǎo)和能量驅(qū)動。植物的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白(sucrosetransporters,SUTs),又稱蔗糖-H+共轉(zhuǎn)運蛋白(sucrose/H+co-transporters,SUCs),是一類具有蔗糖轉(zhuǎn)運活性的蔗糖載體,廣泛存在于高等植物的組織和細(xì)胞中介導(dǎo)蔗糖的跨膜運輸。因此,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白被認(rèn)為在蔗糖進出韌皮部、庫組織的蔗糖供給與蔗糖的貯藏,以及蔗糖轉(zhuǎn)運調(diào)控等多種生理過程中發(fā)揮著重要的作用。本文將對植物蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的生理特性和目前的一些研究進展進行總結(jié)和討論供參考。1植物的轉(zhuǎn)運蛋白隨著分子信息等技術(shù)的發(fā)展,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的研究不斷深入。1992年,Riesmeier等從菠菜中克隆得到了第一個蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白SoSUT1。蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白屬于MFS超家族(MajorFacilitatorSuperfamily)中的一員,它們的序列高度保守,是高疏水性蛋白,含有12個跨膜結(jié)構(gòu)域,中間面向細(xì)胞質(zhì)的部分有1個大的胞質(zhì)環(huán),將蛋白分為各含6個跨膜結(jié)構(gòu)域的2個半?yún)^(qū),即前半?yún)^(qū)和后半?yún)^(qū)。至今已經(jīng)從菠菜、馬鈴薯、芹菜、胡蘿卜及擬南芥等植物中克隆得到了80多種蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因。而后又對這些基因和cDNA序列進行同源性和系統(tǒng)發(fā)生分析得知,編碼蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的基因?qū)儆谝粋€多成員的基因家族[5~7]。在大多數(shù)植物體中,都包含不止1個蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因。例如擬南芥中包含9種蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因,水稻基因組中包含5種蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因。目前,植物體的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白共分為5個亞族:SUT1、SUT2、SUT3、SUT4和SUT5亞族。SUT1亞族成員屬于雙子葉植物特有的高親和力蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白,Km值在0.07~2.0mmol·L-1之間。目前克隆得到的SUT1亞族的基因有擬南芥AtSUC9、AtSUC1、AtSUC2,豌豆PsSUF1、煙草NtSUT1A、馬鈴薯StSUT1和番茄LeSUT1等。在煙草、番茄和馬鈴薯植物中的SUT1在篩管質(zhì)膜上表達[11~13],而車前草、擬南芥中SUT1在伴胞的質(zhì)膜上表達,而玄參科植物的AmSUT1在篩管和伴胞細(xì)胞的質(zhì)膜上都有表達。SUT2和SUT4轉(zhuǎn)運蛋白存在于單子葉植物和雙子葉植物中,具有較低的親和力,Km值在4~20mmol·L-1。目前克隆得到單子葉植物中的SUT2亞族的基因有高粱SbSUT2、玉米ZmSUT2、黑麥LpSUT2等,雙子葉植物SUT2亞族有番茄LeSUT2、三葉膠HbSUT2a、擬南芥AtSUT2/SUC3等。在結(jié)構(gòu)上,雙子葉植物的SUT2亞族具有一個由60個氨基酸組成的狹身字的中心環(huán),這是單子葉植物中所不具有的,且研究發(fā)現(xiàn)此中心環(huán)與其轉(zhuǎn)運蛋白的親和力無關(guān)。SUT2轉(zhuǎn)運蛋白位于篩管細(xì)胞的質(zhì)膜上。SUT4亞族轉(zhuǎn)運蛋白,除胡蘿卜的DcSUT1外,其他都具有低的蔗糖親和力,Km在5.0~6.0mmol·L-1之間,能在高濃度的蔗糖條件下,以較大的速率跨膜轉(zhuǎn)運蔗糖分子。目前已克隆得到的SUT4亞族基因有MdSUT1、DcSUT1A、StSUT4、LeSUT4、AtSUT4、HbSUT5、PsSUF4、LjSUT4、ZmSUT4和SbSUT4等。SUT4亞族主要在成熟葉片的次級葉脈(韌皮部裝載的主要部位)和幼嫩的葉片、花和果實等‘庫’器官中表達。SUT4亞族轉(zhuǎn)運蛋白存在于擬南芥的葉綠體膜上、大麥葉肉細(xì)胞的液泡膜上、篩管細(xì)胞的質(zhì)膜上。SUT3和SUT5兩個亞族的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白為單子葉植物特有,已在玉米、糯稻、高粱、大麥、黑麥等植物中克隆得到SUT3和SUT5亞族基因。OsSUT3、ZmSUT3、SbSUT3、HvSUT1、LpSUT1、ZmSUT1、ShSUT1、OsSUT1等屬于SUT3亞族;OsSUT5、ZmSUT6、ZmSUT5、SbSUT6、SbSUT5則屬于SUT5亞族。目前對單子葉植物的SUT5亞族的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的功能特征還不是很清楚。蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)運糖類并不一定都是蔗糖。擬南芥AtSUC2具有低親和力,轉(zhuǎn)運的不是蔗糖而是麥芽糖和配糖物,如熊果苷、水楊苷等。AtSUC9屬于SUT1亞族的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白,其轉(zhuǎn)運的物質(zhì)為蝸牛素、水楊苷、麥芽糖等。2不同植物蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達差異免疫定位和GFP融合表達定位是研究蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白細(xì)胞定位的常用方法。Krügel和Weise等采用帶有特異抗體的免疫熒光測得SUC2存在于大車前和擬南芥的伴胞中。而用熒光免疫和銀強化的免疫金染色方法進行的免疫定位顯示,煙草、馬鈴薯和番茄的SUT1存在于核已消失的篩管細(xì)胞質(zhì)膜中。利用SUT1-GFP融合在煙草中的表達結(jié)果來看,SUT1蛋白不僅定位在煙草葉片表皮細(xì)胞質(zhì)膜上,同時也定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。在香毛簇植物中,采用SUT1-GFP在轉(zhuǎn)基因植物體內(nèi)SUT1只定位在伴胞中。大車前、擬南芥中與在煙草、馬鈴薯和番茄植物體中蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的定位存在差異,這可能是由于不同植物具有不同的蔗糖卸出機制。盡管已有證據(jù)證實茄科植物的的韌皮部裝載直接發(fā)生在篩管細(xì)胞的質(zhì)膜上,但最近利用抗血清檢測NtSUT1-MPB融合蛋白的表達,則發(fā)現(xiàn)SUT1蛋白定位在伴胞中,而不是在篩管細(xì)胞中。Bianca等應(yīng)用免疫定位研究也得出茄科植物SUT蛋白定位在韌皮部的伴胞和木質(zhì)部的薄壁組織細(xì)胞中。究竟茄科植物的蔗糖轉(zhuǎn)運是通過篩管還是伴胞質(zhì)膜,這需要進一步的試驗證明。在蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因家族中,不同的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因執(zhí)行的具體功能不同,其表達部位也可能不同,在不同的植物中也有差異。Kühn等利用伴胞特異啟動子抑制番茄SUT1mRNA的表達,得出SUT1mRNA的轉(zhuǎn)錄是在伴胞中進行的。應(yīng)用擬南芥伴胞上特有的啟動子去雜交檢測AtSUC2的表達,其結(jié)果在篩管細(xì)胞中沒有AtSUC2蛋白的表達。從胡蘿卜主根中克隆得到的兩個蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因DcSUT1和DcSUT2,兩者具有不同的表達模式;DcSUT1主要在葉片中高度表達,其功能是將蔗糖裝載到韌皮部,DcSUT2主要在庫組織韌皮部中表達,也出現(xiàn)在韌皮部和木質(zhì)部的薄壁組織細(xì)胞中。植物庫細(xì)胞的液泡中也含有一種用于吸收蔗糖的H+/蔗糖反向轉(zhuǎn)運蛋白和一個用于釋放蔗糖的單向轉(zhuǎn)運蛋白。Endler等應(yīng)用蛋白組學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)了大麥和擬南芥葉肉細(xì)胞液泡膜上存在的HvSUT2和AtSUT4,并將HvSUT2-GFP和AtSUT4-GFP轉(zhuǎn)入擬南芥葉片和洋蔥表皮細(xì)胞中,結(jié)果證實HvSUT2和AtSUT4定位于液泡膜上介導(dǎo)蔗糖在液泡與細(xì)胞質(zhì)間的交換。Reinder等通過GFP融合表達也發(fā)現(xiàn)荷花LjSUT4定位在液泡膜上。但并不是所有的SUT4亞族的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白都定位于液泡膜上,如馬鈴StSUT4,它在酵母細(xì)胞質(zhì)膜上催化蔗糖的吸收。3植物組織特征植物體糖的產(chǎn)生、消耗以及糖的貯藏存在空間上的分離,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達在不同水平上受組織特異性、植物的發(fā)育階段、晝夜節(jié)律、植物體內(nèi)外的糖濃度等多方面的調(diào)控,表現(xiàn)出較高的周轉(zhuǎn)率[33~35]。因此植物自身具有感受糖狀況的能力,從而調(diào)節(jié)碳水化合物的合成與轉(zhuǎn)運。3.1蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白、蔗糖和外源糖對水稻種子胚糖活性的影響在植物發(fā)育過程中,糖作為信號分子可調(diào)控植物體內(nèi)庫源的關(guān)系和蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因的表達。Chiou和Bush研究得出,蔗糖能特異地對蔗糖同向轉(zhuǎn)運體的轉(zhuǎn)錄和翻譯進行調(diào)節(jié),但己糖等其他糖則不具備此調(diào)節(jié)作用。植物中存在蔗糖特異的影響轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)節(jié)途徑,這些途徑包括蔗糖誘導(dǎo)patatin啟動子和韌皮部特有的rolC基因,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因表達和運輸活力受蔗糖阻遏等。在糖饑餓的條件下,在水稻胚中沒有檢測到OsSUT1的表達,但是在內(nèi)源糖水平提高時,OsSUT1表達增強。Yang等推測在蘿卜肉質(zhì)胚根的伸長過程中可能受到蔗糖的特異調(diào)控并且與蔗糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。在擬南芥中,外用蔗糖可增加幼苗蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白AtSUC1基因的表達并在體內(nèi)積累花青素,而在AtSUC1缺失突變體中外用蔗糖并沒有增加花青素的積累,表明SUC1只是擬南芥蔗糖誘導(dǎo)表達中的一個基因區(qū)段。葡萄糖和蔗糖也影響水稻種子胚中OsSUT1的表達,在處理1d后,葡萄糖和蔗糖負(fù)調(diào)節(jié)OsSUT1的表達,但處理5d,OsSUT1的表達明顯的增強,由此推測可能存在與己糖激酶相關(guān)的信號傳導(dǎo)途徑。Chun等研究不同的糖對柑橘蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白CitSUT1和CitSUT2的表達影響,其結(jié)果表明CitSUT2的表達不受外源糖的影響,且在庫中表達;而CitSUT1在源葉中表達,被外源的蔗糖、葡萄糖、甘露糖和2-脫氧葡萄糖所抑制,但不受3-O-甲基葡萄糖的抑制。在葡萄中,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因VvSUC11和VvSUC12的表達隨漿果液泡中己糖的積累而增加,而VvSUC27則與之相反。3.2bvsut1的mrna表達蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化可直接或間接調(diào)節(jié)蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的活性,但其作用后果仍不清楚。Roblin等利用蛋白質(zhì)磷酸化的抑制劑岡田酸(OkadaicAcid,OA)對蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白研究表明,岡田酸影響B(tài)vSUT1的mRNA的表達量、轉(zhuǎn)錄的速度以及轉(zhuǎn)運蛋白的活性,但是蛋白激酶抑制劑則不影響B(tài)vSUT1的轉(zhuǎn)錄和活性。Nühse等首次直接證實擬南芥AtSUC5的N端出現(xiàn)了磷酸化現(xiàn)象。Niittyla和Durek等通過質(zhì)譜分析擬南芥AtSUC1蛋白質(zhì),其磷酸化位點出現(xiàn)在第20位點的絲氨酸和393位點的蘇氨酸上[47~49]。3.3植物細(xì)胞的熒光互補蛋白質(zhì)的互作也能調(diào)控蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白。蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白之間不僅存在同源的寡聚化,也存在異源寡聚化。Renders等利用了一個改良的酵母雙雜交系統(tǒng),在這個系統(tǒng)中,利用LacZ表達情況來檢測蛋白之間的互作,結(jié)果表明,LeSUT1和LeSUT2都能分別與自身進行互作,激活β-半乳糖苷酶的轉(zhuǎn)錄;利用酵母雙雜交系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),茄科植物中3類SUT之間都存在蛋白質(zhì)互作,兩個SUT1亞基形成的同源兩聚體的親和力是SUT1與SUT4異源二聚體親生力的2倍,是SUT1與SUT2異源二聚體親和力的4倍。Fan等結(jié)合酵母雙雜交系統(tǒng)、免疫協(xié)同沉淀、雙分子熒光互補分析等技術(shù),研究細(xì)胞色素b5與蘋果的SUT1和SOT6的互作得出,細(xì)胞色素b5定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,與SUT1和SOT6的互作提高了糖轉(zhuǎn)運蛋白的親和力,使細(xì)胞能夠適應(yīng)糖的饑餓,擬南芥中的細(xì)胞色素b5也具有相似的功能,而酵母中的細(xì)胞色素b5不具有調(diào)節(jié)糖轉(zhuǎn)運蛋白的功能。不同種類和功能的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白之間的相互作用形成具有不同轉(zhuǎn)運活性的復(fù)合體,可能是植物細(xì)胞快速調(diào)節(jié)蔗糖運輸?shù)囊环N重要方式。但是它們的互作方式、機制以及之間是否存在橋梁蛋白目前仍不清楚。3.4aba對植物蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因轉(zhuǎn)錄的影響植物體內(nèi)蔗糖的轉(zhuǎn)運過程中,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白在轉(zhuǎn)錄和翻譯后水平都受到激素的調(diào)節(jié)。Harms等應(yīng)用外源生長素2,4-D處理馬鈴薯葉片,結(jié)果顯示StSUT1mRNA的表達量增加。Chen等用GA3和ABA處理水稻種子,研究水稻種子萌發(fā)過程中OsSUT1基因表達差異,結(jié)果得出外源ABA抑制OsSUT1的表達,而GA3則促進OsSUT1的表達。擬南芥AtSUC1的表達也受ABA的抑制。而彭昌操等用ABA注射連體蘋果果實和果實圓片溫育的試驗體系,發(fā)現(xiàn)ABA可以顯著地誘導(dǎo)蘋果果實蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白MdSUT1的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯。Tang等研究三葉膠樹HbSUT3的功能得出,乙烯利誘導(dǎo)HbSUT3的表達,促進乳膠的產(chǎn)量。激素對植物蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控機理非常復(fù)雜,其調(diào)控機制及調(diào)節(jié)方式還有待于進一步的研究。另外,環(huán)境因素也參與蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控。Sakr等報道切割、衰老調(diào)控蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達,切割造成的傷害和衰老蔗糖均提高蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因的mRNA水平,但只有切割增加離體質(zhì)膜小泡中質(zhì)子動力推動的蔗糖運輸活力,而衰老對此幾乎沒有效應(yīng)。光照條件也影響蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達和功能。煙草、馬鈴薯、番茄和胡蘿卜植物的葉片在黑暗條件下,其蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)錄減少,但定位在胡蘿卜直根中的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因轉(zhuǎn)錄則不受光照的影響。蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白也受晝夜節(jié)律的調(diào)控。4果實后期轉(zhuǎn)化為共質(zhì)體途徑的研究果實中的糖主要來源于葉片的光合同化產(chǎn)物。大多數(shù)植物光合產(chǎn)物是以蔗糖的形式通過韌皮部運輸進入果實,有些植物如薔薇科梨的光合產(chǎn)物則主要以山梨醇和蔗糖形式進入果實。蔗糖進入到果實等庫器官則需要經(jīng)篩分子的卸出過程。光合同化物(蔗糖)在篩分子的卸出途徑有兩條:一是質(zhì)外體卸載;二是共質(zhì)體卸載。這兩個途徑可單獨起作用,也可同時存在。共質(zhì)體途徑是通過胞間連絲進行的,質(zhì)外體途徑則需要膜上的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白來運輸蔗糖進入庫細(xì)胞。不同植物在其不同的發(fā)育階段果實中蔗糖卸載途徑與機制可能有所不同。如柑橘果實中生長前期蔗糖的卸載是通過共質(zhì)體途徑,在果實生長后期則轉(zhuǎn)為質(zhì)外體途徑。Zhang等以金冠蘋果為試材,利用激光共聚焦掃描顯微鏡和熒光染料示蹤技術(shù)得出蘋果果實內(nèi)同化物從篩分子的卸出主要采取質(zhì)外體途。對有些植物來說,共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑兩種途徑都起到很重要的作用。比如在番茄果實發(fā)育的初期,蔗糖的共質(zhì)體卸載很活躍,而在果實發(fā)育的后期質(zhì)外體起作用。相反地甜菜直根在生長前期蔗糖的卸載為質(zhì)外體途徑,同時細(xì)胞壁蔗糖酸性轉(zhuǎn)化酶的活性較強,在其生長后期轉(zhuǎn)為共質(zhì)體途徑,此時蔗糖合成酶的活性較強。胡桃果實的種皮和果皮采用不同的蔗糖卸載途徑,種皮中蔗糖的卸載通過共質(zhì)體途徑,而果皮的蔗糖卸載依靠質(zhì)外體途徑。Zhang等采用羥基熒光素示蹤、綠色熒光蛋白表達等技術(shù)研究葡萄果實中蔗糖的卸載途徑,結(jié)果得出在葡萄果實開始成熟時,果實中蔗糖的卸載途徑由共質(zhì)體轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)外體途徑,由此相關(guān)的細(xì)胞壁蔗糖酸性轉(zhuǎn)化酶的活性也增加,即證實了葡萄果實蔗糖卸載途徑的適應(yīng)性轉(zhuǎn)變是果實從發(fā)育階段到成熟階段的發(fā)展轉(zhuǎn)變。近來,Kikuchi等應(yīng)用正電子放射示蹤成像系統(tǒng)(PETIS)很容易的探測到茄子果實內(nèi)的同化產(chǎn)物的運輸路徑,用11CO2喂養(yǎng)葉片60min,檢測到果實中11CO2的活性增加;再通過放射自顯影技術(shù)可顯示出11CO2在果實內(nèi)的分布。PETIS將為未來研究分析不同植物果實中光合產(chǎn)物的運輸分布提供了一更好的方法。果實細(xì)胞內(nèi)糖分貯存的部位主要為液泡。卸載進入果實細(xì)胞的糖,一部分用于代謝,一部分通過液泡膜進入液泡。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的穿膜方式有自由擴散、易化擴散和主動運輸3種。Echeverria等報道了甜萊檬果實中的蔗糖是通過易化擴散穿膜進入液泡。目前已報道有擬南芥、荷花等植物細(xì)胞液泡膜糖轉(zhuǎn)運蛋白相關(guān)研究,但有關(guān)果實細(xì)胞液泡糖的轉(zhuǎn)運蛋白以及轉(zhuǎn)運機制的相關(guān)報道較少。因此,開展果實液泡中糖的轉(zhuǎn)運積累研究,將有助于進一步闡明果實糖分積累的機制。5轉(zhuǎn)運蛋白功能的調(diào)控蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白作為植物所具有多成員的基因家族,是植物源/庫中蔗糖跨膜運轉(zhuǎn)的主要機制