趙美榮，李永春，黃文婕（赤峰學院　生命科學學院，內蒙古　赤峰　024000）

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擴展蛋白在果實成熟過程中的作用研究進展

趙美榮，李永春，黃文婕
（赤峰學院生命科學學院，內蒙古赤峰024000）

摘要：擴展蛋白是一種調節(jié)細胞壁伸展和結構松弛的細胞壁蛋白，存在于各種植物的果實中，在果實成熟過程中發(fā)揮著重要作用.不同的擴展蛋白作用不同，其表達具有時空效應，有些擴展蛋白基因僅在果實膨大期表達，而有的擴展蛋白基因是果實軟化特異的.不同的擴展蛋白作用機制不同，這與其在果實成熟過程中的作用密切相關.

關鍵詞：擴展蛋白；果實；膨大；成熟

果實成熟過程中，不僅僅有色、香、味等品質的變化，還有果實硬度的變化，果實軟化往往是一個標志果實成熟的重要特征，涉及一系列生理生化變化.軟化后的果實容易受到病菌侵染，且易受到機械損傷，導致果實的耐藏性和抗病性下降，貨架期縮短.因此，果實軟化機理及其控制一直是各國學者研究的重點.

一般認為，果實軟化是由細胞壁水解酶，如多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果膠甲酯酶（PME）、纖維素酶等促進細胞壁物質的降解，從而引起細胞壁超微結構發(fā)生變化所致［1］.然而，利用基因工程改變果實水解酶活性，果實依然出現(xiàn)軟化現(xiàn)象.伴隨著擴展蛋白的發(fā)現(xiàn)，許多研究表明，擴展蛋白與果實成熟軟化密切相關.Rose等［2］研究發(fā)現(xiàn)，番茄擴展蛋白基因LeEXP1在果實成熟期特異表達，而且該基因受乙烯的誘導. Brummell等［3］利用轉基因技術，增強或抑制LeEXP1的表達，結果發(fā)現(xiàn)，過量表達LeEXP1的果實加速軟化，而抑制LeEXP1表達的果實則保持較高的硬度.這些結果表明，擴展蛋白可能在果實成熟軟化過程中起作用.本文就擴展蛋白的作用機制及其在果實成熟軟化過程中的作用進行了綜述.

1　擴展蛋白概述

McQueen-Mason等［4］于1992年從黃瓜（Cucumicsativus）細胞壁中分離得到了兩種細胞壁蛋白，CsEXP1和CsEXP2，發(fā)現(xiàn)它們可以在酸性條件下誘導離體細胞壁的擴張生長，因此被命名為“擴展蛋白，expansins”.目前已知擴展蛋白廣泛存在于雙子葉和單子葉植物中，是調節(jié)細胞壁伸展和松弛的細胞壁蛋白酶.

1.1擴展蛋白的基因家族及蛋白結構

擴展蛋白是一個龐大的基因家族，目前，植物擴展蛋白主要分為4大類，即expansinA（EXPA）、expansinB（EXPB）、expansin-likeA（EXLA）和expansin-likeB（EXLB）［5］.研究發(fā)現(xiàn)，EXPA在大多數(shù)植物中是最大的一個擴展蛋白家族，在植物界廣泛存在，EXPB在單子葉植物中要比在其它植物種類中多，而EXLA和EXLB目前發(fā)現(xiàn)和研究的較少，至今為止，還沒有證據(jù)表明EXLA和EXLB基因在植物中活躍表達，其功能尚不清楚［6］.

序列分析表明擴展蛋白由250-270個氨基酸組成，具有三個結構域［7］.N端是信號肽，由22-25個氨基酸組成，引導擴展蛋白定位于細胞壁.中間區(qū)域是由120-135個氨基酸組成的結構域I（domainI），即擴展蛋白的催化區(qū)域（catlysis domain，catdom），包含半胱氨酸殘基和HFD（His-Phe-Asp）基序，是擴展蛋白的結構特征.C端是結構域II（domainII），由90-120個氨基酸組成，具一系列保守的色氨酸殘基，主要作用是協(xié)助擴展蛋白結合到細胞壁上，故是擴展蛋白的結合區(qū)域（cellulose-bindingdomain，CBD）.除掉信號肽之后，成熟的擴展蛋白分子量大約在25-28kD之間［8］.

1.2擴展蛋白的作用機制

擴展蛋白是一種酶蛋白，但不具有蛋白水解酶、糖基轉移酶等的活性.擴展蛋白通過打斷細胞壁纖維素與半纖維素之間的非共價鍵，促使它們之間相互位移，從而引起細胞壁伸展，促進細胞的擴大［9］.

植物細胞壁主要由纖維素、半纖維素、果膠、木質素和糖蛋白組成，纖維素微纖絲與基質多糖之間以及多糖分子之間的結合是很復雜的，有些半纖維素分子結合在纖維素微纖絲表面，也有些半纖維素伸入到纖維素微纖絲的內部.擴展蛋白既可以打斷多聚糖與纖維素微纖絲表面的結合，也可以打斷多糖分子之間的結合，在膨壓引起的機械壓力作用下，擴展蛋白促使細胞壁多聚體緩慢滑動，產(chǎn)生位移，纖維素微纖絲間的距離拉大，從而使細胞壁伸展.

除了促進細胞壁伸展以外，擴展蛋白還與其他細胞壁酶相互作用，促進細胞壁的降解［10］.首先，在質膜H+-ATP酶作用下，細胞質中的H+泵出細胞到細胞壁，降低細胞壁的pH，即使細胞壁酸化，從而促使擴展蛋白以及其它一些酸依賴性的酶活化.然后，活化的擴展蛋白促使纖維素微纖絲表面的基質多糖釋放一些短的多糖片段，使微纖絲與基質多糖之間相互滑動.接著其它的細胞壁蛋白發(fā)揮作用，內切葡聚糖酶催化基質多糖分解成較小的片段，導致了細胞壁的軟化；內切木葡聚糖基轉移酶又能重新催化短糖片段連接成長的多糖片段.

2　擴展蛋白在果實成熟軟化過程中的作用

1997年，Rose等［2］發(fā)現(xiàn)了番茄果實成熟特異性擴展蛋白基因，LeEXP1.Rose等［11］利用LeEXP1抗體分別在鱷梨、柿子、獼猴桃、草莓等果實中也發(fā)現(xiàn)有擴展蛋白的表達.近年來，又在荔枝［12］、砂梨［13］、櫻桃［14］等果實中發(fā)現(xiàn)有擴展蛋白基因.由此可見，擴展蛋白普遍存在于各種果實中，可能是果實生長發(fā)育過程中的作用因子.

不同的擴展蛋白行使不同的功能.一方面促進細胞壁的松弛伸展，調節(jié)細胞生長；另一方面參與細胞壁物質的降解，調控細胞壁結構的變化.在果實中，擴展蛋白的表達往往受到不同發(fā)育階段的調控，這可能與其行使不同的功能有關.一般可將果實擴展蛋白分為兩大類：一類與果實的生長膨大有關，另一類與果實成熟軟化有關.

2.1擴展蛋白與果實的生長膨大

果實膨大涉及到細胞的生長，而細胞壁是限制生長的主要因素，因此細胞壁的伸展和松弛是細胞生長的前提.研究表明，擴展蛋白對細胞壁的伸展活性在果實生長膨大期發(fā)揮重要作用.Brummell等［3］分析了番茄果實中擴展蛋白基因LeEXP3、LeEXP4、LeEXP5、LeEXP6、LeEXP7的表達，結果發(fā)現(xiàn)，這些基因在番茄果實生長到綠熟階段有不同程度的表達，而在成熟果實中沒有表達，表明這些基因與果實的生長膨大有關.草莓果實的生長與FaEXP3、FaEXP4、Fa-EXP6、FaEXP7等密切相關［15］.常曉曉等［16］從富平尖柿果實中克隆到5個擴展蛋白基因，其中CDK-Exp6和CDK-Exp7在果實膨大期表達.Asha等［17］（2007）研究發(fā)現(xiàn)，香蕉擴展蛋白基因MaEXPA4在果實生長和成熟期均有表達，可能與果實膨大有關.龍眼中，5個擴展蛋白基因DlEXP1-5在果實發(fā)育的不同階段，表達模式不同，其中，DlEXP1、DlEXP2在果皮和假種皮的快速生長階段高水平表達，萘乙酸處理后，表達水平上調，這些結果表明，龍眼擴展蛋白在其果實生長過程中起重要作用［18］.

2.2擴展蛋白與果實的成熟軟化

果實的成熟軟化涉及到細胞壁物質的降解和細胞壁結構的變化，研究表明，擴展蛋白參與調節(jié)果實的成熟軟化.大量研究表明，番茄擴展蛋白基因LeEXP1是果實成熟特異性基因，與果實成熟軟化正相關［2，3］.Xue等［19］利用Northern雜交技術分析了番茄果實中擴展蛋白基因LeEXP1、多聚半乳糖醛酸酶基因（PG）以及脂氧合酶基因（LOX）表達與果實成熟、乙烯誘導之間的關系，結果表明，在番茄果實成熟軟化過程中，PG起主要作用，LOX和EXP協(xié)助調節(jié).Civello等［20］（1999）研究發(fā)現(xiàn)，草莓擴展蛋白基因FaEXP2的mRNA含量在綠色果實中很低，伴隨果實的成熟，豐度增加，成熟后又開始降低，這一結果進一步表明擴展蛋白是果實成熟過程的關鍵因子.Figueroa等［21］的研究也表明，智利草莓擴展蛋白基因FaEXP2和FaEXP5與果實軟化密切相關.Ishimaru等［22］分析了3個葡萄擴展蛋白基因Vlexp1、Vlexp2、Vlexp3的表達特性，發(fā)現(xiàn)3個擴展蛋白基因與葡萄果實發(fā)育過程中細胞分裂、細胞擴大以及果實成熟相關，尤其是Vlexp3是果實成熟特異的.香蕉擴展蛋白基因MaEXPA2受乙烯誘導表達，與果實成熟高度相關［17］.

果實的成熟軟化與乙烯密切相關，研究表明許多果實擴展蛋白基因受乙烯誘導表達.番木瓜（CaricapapayaL.）是典型的呼吸躍變型果實，其成熟軟化受乙烯誘導調控.番木瓜擴展蛋白基因VpEXPA2在果實成熟期表達，且受到乙烯的誘導［23］.牛艷梅等［24］通過實時熒光定量PCR發(fā)現(xiàn)，Cp-EXP1基因表達受乙烯調控，在乙烯處理的果實中，該基因表達提前達到高峰.獼猴桃擴展蛋白基因Ad-EXP1和Ad-EXP2的表達受乙烯上調，與果實成熟相關［25］.孫振營等［26］研究富平尖柿采后果實軟化機理，發(fā)現(xiàn)丙烯處理可促進柿果實成熟軟化，使乙烯釋放量增加和提前，而且擴展蛋白基因DKEXP3和DKEXP4的表達水平增加，其表達高峰出現(xiàn)早于乙烯出現(xiàn)高峰，表明擴展蛋白可能在采后柿子果實軟化前期起作用.

3　小結與展望

細胞壁的伸展和松弛是果實成熟過程中重要的生理反應.擴展蛋白作為細胞壁蛋白，與其他細胞壁酶蛋白相互協(xié)作，在細胞壁伸展及結構松弛方面起著重要作用.果實的逐漸膨大往往伴隨著特定擴展蛋白基因的表達，而果實的成熟軟化也需要擴展蛋白的積累，且擴展蛋白的表達和果實成熟激素乙烯密切相關.通過擴展蛋白的積累，調節(jié)細胞壁的組分，促進細胞壁松弛伸展，加速細胞壁結構的變化，從而有利于果實膨大，加快果實的軟化成熟.擴展蛋白為調控果實成熟軟乎進程提供了新的思路，對果實運輸和貯藏具有一定的意義.然而，擴展蛋白是一個多基因家族，不同的擴展蛋白作用不同，具體作用機制還不清楚，在果實成熟過程中如何發(fā)揮作用還需要進一步深入研究.

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中圖分類號：Q945.78

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）06-0011-03

收稿日期：2016-02-20

基金項目：內蒙古自然科學基金（2013MS0502）

通訊作者：趙美榮，1981-，女，講師.主要研究方向：植物抗逆生理研究