茹 磊，王麗巖，王 超，李永新

（渤海大學 食品科學與工程學院，生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧 錦州 121013）

0 引言

蔗糖是碳水化合物運輸?shù)闹饕问?，它是由光合作用在葉片的細胞質中產(chǎn)生，然后通過韌皮部運輸?shù)劫A藏組織 “庫” （根、莖、生殖器官等）中，為植物的生長發(fā)育提供能量.此外，研究發(fā)現(xiàn)蔗糖也可作為信號分子，與植物激素赤霉素［1］、乙烯［2］、茉莉酸［3］以及氮元素［4］的信號通路相互作用，影響植物的生長、組織分化、器官發(fā)育、開花結果等過程.

蔗糖是一種雙糖，而植物可以直接利用的大多是單糖，因此蔗糖分解代謝對于植物的生長發(fā)育至關重要.蔗糖分解過程主要依靠蔗糖合成酶（Sucrose synthase，SUS）和蔗糖轉化酶（Invertase，INV）這兩類酶.SUS參與的反應是可逆的且以合成蔗糖為主，而INV則是不可逆地將蔗糖分解為葡萄糖和果糖.在裂解蔗糖的過程中，INV比SUS發(fā)揮的作用更為重要［5］.

目前研究表明，INV在植物生長發(fā)育、逆境脅迫中發(fā)揮著重要作用.同時INV活性在mRNA水平和翻譯后水平受到精密的調控.本文主要總結了近年來植物中有關INV活性調控的研究進展，以期為研究調控INV活性的機制以及INV在植物抗逆應用上提供新思路.

1 蔗糖轉化酶的分類及數(shù)目

根據(jù)其亞細胞定位和最適pH值，INV可分為酸性細胞壁轉化酶（Cell wall invertase，CWIN）、酸性液泡轉化酶（Vacuolar invertase，VIN）和中/堿性細胞質轉化酶（Cytoplasmic invertase，CIN），其中VIN和CIN是可溶性的，CWIN是不溶性的.

CWIN被認為有卸載蔗糖的作用，通過水解質外體中的蔗糖以降低蔗糖濃度，從而使韌皮部的蔗糖順濃度梯度轉移到質外空間中去.除此之外，CWIN還有防御病毒［6］和促進果實生長［7］的功能.最近的研究表明，提高CWIN的活性也會對種子的發(fā)育起到抑制作用［7］，但出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有待于進一步的研究.VIN在糖積累和細胞伸長方面起重要作用，VIN可將蔗糖轉化為己糖，一方面為細胞的生長提供能量來源，另一方面通過調節(jié)滲透壓來促進細胞的伸長.因此，在植物的快速擴張部位都有著較高的VIN活性［8］，這已在小麥（Triticum aestivumL.）、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、棉花（Gossypium hirsutumL.）以及玉米（Zea maysL.）等植株上得到驗證［9］.對于CIN生理功能的研究相對較少，可能是因為與高糖基化的CWIN和VIN相比，CIN的穩(wěn)定性和活性較低［10］.但已有研究表明CIN在根系細胞發(fā)育和生殖過程中是不可缺少的［11-12］.

表1 多種作物中的INV基因家族成員

編碼不同作物的INV的基因數(shù)量不同，CIN比CWIN和VIN擁有更多的基因成員，而編碼CWIN和VIN的基因數(shù)量相差無幾.研究者已在擬南芥中鑒定出4個編碼CWIN（AtCWINV1、AtCWINV 2、AtCWINV 4、AtCWINV5），2個編碼VIN（AtVIN1、AtVIN2）以及9個編碼CIN（At-A/N-InvA～At-A/N-InvI）的基因成員［13?15］；在楊樹中也發(fā)現(xiàn)了5個編碼CWIN（PtCIN1～PtCIN5）、3個編碼VIN（PtVIN1～PtVIN3）以及16個編碼CIN（PtNIN1～PtNIN16）的基因［16］.隨著植物基因組測序的不斷完善，研究者利用生物信息學在全基因組范圍內對INV基因家族進行預測和分析，從而在更多高等植物中鑒定出INV的基因成員，如棉花、辣椒的部分INV基因成員分別以擬南芥和番茄的INV基因為參考序列，再通過數(shù)據(jù)庫比對篩選而得來的［15，17］.目前已經(jīng)在多種作物中鑒定出編碼INV的基因，如茶樹（Camellia sinensis（L.）O.Kuntze）、番茄（Solanum lycopersicum）、辣椒（Capsicum annuum）、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、擬南芥（Arabidopsis thalianaL.）等（表1）.

2 蔗糖轉化酶活性的調控

INV酶活性水平在植物體內受到精密調控，主要體現(xiàn)在mRNA水平和翻譯后水平［38］.糖分、激素、生物和非生物脅迫等在轉錄水平或轉錄后水平上調控蔗糖轉化酶活性.蔗糖轉化酶抑制子（INV inhibitor，INVINH）、N-糖基化、磷酸化等則是在翻譯后水平調控INV的活性.此外，缺陷型蔗糖轉化酶（defective INV）也可能參與INV活性的翻譯后調控［39］.

2.1 mRNA水平的調控

蔗糖作為植物體最主要的碳和能量來源，在植物體內有著一系列與激素等在代謝通路和信號通路的互作機制，保障植物體在多樣的環(huán)境下的生命活動.蔗糖作為INV酶解反應的底物通常會促進反應的進行，而葡萄糖作為產(chǎn)物則會起到反饋抑制作用.然而，不同組織間甚至同一INV基因家族中的不同基因，對糖分的響應卻不相同.研究發(fā)現(xiàn)，175 mmol/L的蔗糖或甘露醇處理蔗糖處理水稻后，顯著提高了OsCIN1的轉錄水平，卻下調了OsCIN5的轉錄水平.對于未成熟的穎果，蔗糖僅顯著誘導OsCIN2的表達，OsCIN1、OsCIN4和OsCIN7的表達未受到影響［40］.在番茄［21］、擬南芥［41］中的研究中也發(fā)現(xiàn)了葡萄糖對INV基因有相反的調控作用，但這種雙向調控是如何起作用的還需進一步研究.激素也會對INV基因的轉錄水平產(chǎn)生影響，如生長素、赤霉素、細胞分裂素及油菜素內酯通過信號或代謝相關途徑誘導CWIN基因表達，已經(jīng)在多種作物中［42?43］得到了證實.這可能是由于大多數(shù)情況下激素介導的生長響應會增加植物組織對碳水化合物的需求，所以生長激素可以通過與糖的互作來調控INV.值得一提的是，脫落酸受作物品種、組織器官、發(fā)育階段以及外部環(huán)境等不同因素的影響，對INV起不同的調控作用［44?45］.除此之外，當植株受到脅迫時，INV的表達也會受到影響.Rosenkranz等［46］研究發(fā)現(xiàn)，當甜菜根受到機械損傷后，CWI-1和VI-1的mRNAs顯著上調.其他環(huán)境脅迫，如干旱［47］、冷脅迫［48］、鹽脅迫［49］、低氧［50］等逆境，可能會導致激素、ROS和碳氮代謝等通路發(fā)生改變，從而通過復雜的互作網(wǎng)絡對INV基因表達水平進行調控.

2.2 翻譯后水平的調控

2.2.1 N-糖基化

在植物中，VIN和CWIN具有N-糖基化的修飾過程，即在內質網(wǎng)上，受體蛋白的天冬酰胺（Asn）殘基連接一條多糖鏈的過程［51］.Tauzin等［52］通過定點突變的方式研究了四個N-糖基化位點（Asn52、Asn119、Asn184和Asn516）在VIN中的功能作用，結果表明這四個糖基化位點的缺失會影響VIN蛋白的折疊，使VIN熱穩(wěn)定性和活性下降，甚至直接導致VIN失活.此研究結果也證明了N-糖基化對調控INV酶活性至關重要.

2.2.2 磷酸化

目前，人們已發(fā)現(xiàn)CIN活性在翻譯后受到蛋白磷酸化水平的調控.Gao等［53］報告了一種影響CIN活性的機制，AtCINV1蛋白C末端的Ser547是鈣依賴性激酶（CPK3和21）的底物，其磷酸化后可成為14-3-3蛋白的高親和力位點，使AtCINV1與14-3-3蛋白結合，并在光誘導下顯著增強根系中的CIN活性，為植物的晝夜生長提供代謝基礎.此外，前人研究表明磷脂酰肌醇磷酸5-激酶（PIP5K9）可負調控擬南芥根細胞中的CIN（AtCINV1）的活性，以抑制根的生長［54］.AtPIP5K9可能通過干擾14-3-3蛋白與AtCINV1的C末端的結合，從而影響AtCINV1的磷酸化，導致CIN的酶活性降低［53］.

2.2.3 蛋白質周轉

VIN是一種可溶性液泡分泌蛋白，其含有一個由基本結構域和跨膜域組成的氨基端肽段（NTPP）［55］，研究發(fā)現(xiàn)VIN與酵母的堿性磷酸酶NTPPs存在同源性，這表明VIN可能同酵母的堿性磷酸酶采用同一種跨膜蛋白的方式轉運到液泡中［51］.在擬南芥中，AtFRUCT4已經(jīng)被證明是由前體蛋白酶囊泡（PPVs）和降解液泡蔗糖轉化酶的液泡處理酶（VPEY）的協(xié)同作用所調控的，PPV可延長AtFRUCT4向液泡傳遞的時間，并且其儲存的不活躍的VPEG蛋白酶可與AtFRUCT4一起釋放到液泡中，隨后靶向并降解衰老組織中的VIN蛋白［56］，從而調控VIN的水解活性.

2.2.4 糖信號誘導

大量研究已表明糖信號可通過誘導植物中INV基因的表達而對INV活性起調控作用.王永章和張大鵬卻提出果糖和葡萄糖還可以誘導蘋果中的CWIN和VIN活性在翻譯后水平的抑制調節(jié)［57］.研究發(fā)現(xiàn)，在蘋果發(fā)育過程中，CWIN活性逐漸下降，但該酶的蛋白數(shù)量逐漸上升，并據(jù)此推測CWIN的mRNA的翻譯量也應是上升的.他們通過添加外源糖進行實驗驗證，排除了抑制子和化學反應平衡導致的己糖抑制的可能，認為是果糖和葡萄糖誘導有關抑制基因表達或修飾酶的結構對INV活性進行調節(jié)［57］.但實驗未對INV基因轉錄進行檢測，不夠嚴謹，且果糖和葡萄糖在翻譯后水平調控的機制仍需進一步確定.

2.2.5 蔗糖轉化酶抑制蛋白

INVINH是一種小分子蛋白，其分子量在15～23 kD之間.Hothorn等［58］通過分析擬南芥中的INV1和其抑制劑CIF之間復合物的結構，他們發(fā)現(xiàn)CIF中存在一個針對INV1的活性位點的氨基酸基序.在該位點，CIF與蔗糖競爭性地與INV結合.INVINH通過蛋白質-蛋白質互作方式與其INV的活性區(qū)域結合，從而阻礙了蔗糖分子與INV結合，對調控INV的活性起重要作用.

目前僅發(fā)現(xiàn)CWIN、VIN存在對應的抑制蛋白CWIN抑制蛋白（CWIN-INH）和VIN抑制蛋白（VININH），這可能是由于酸性INV因糖基化修飾比較穩(wěn)定，其活性很大程度上依賴于翻譯后的調控［59］.為了確定INV在植物功能中是否受相應的抑制子翻譯后的控制，Jin等［45］通過沉默CWIN抑制蛋白INVINH1構建了RNAi番茄植株，發(fā)現(xiàn)其營養(yǎng)和生殖器官中的CWIN活性提高，葉片衰老延遲，種子和果實的重量也均增加；而過度表達則抑制發(fā)育.這證明了INVINH能夠調節(jié)CWIN的活性，進而影響植物的生長發(fā)育.Rausch等［59］克隆了NtCIF（CWIN-INH）和NtVIF（VIN-INH），并在大腸桿菌中以his標記的重組蛋白形式表達，研究發(fā)現(xiàn)CWIN-INH對VIN和CWIN酶的活性都有抑制作用，而VIN-INH具有特異性.

研究者將煙草蔗糖轉化酶抑制蛋白（NtINVINH1）在馬鈴薯中過量表達降低了VIN活性，并顯著減少低溫貯藏條件下馬鈴薯還原糖的累積以及口感變甜［60］.還有研究表明馬鈴薯中的StvacINV1不僅受其抑制子StInvInh2B翻譯后水平調節(jié)，二者還可與SbSnRK1形成復合體SbSnRKI-StvacINV1-StInvInh2B，從而對低溫脅迫下的INV活性進行調控［51］.

2.2.6 缺陷型轉化酶

INV酶家族中不具有正常INV酶活性的假酶，被稱為缺陷型蔗糖轉化酶.現(xiàn)在，缺陷型蔗糖轉化酶已被發(fā)現(xiàn)存在于甜菜（Beta vulgaris L.）、水稻（Oryza sativa L.）、玉米（Zea mays L.）、馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）、菊苣（Cichorium intybus L.）等多種作物中.Wan等［23］在四種高等植物中發(fā)現(xiàn)，近一半的酸性轉化酶因NDPN基序殘缺而無法水解蔗糖.

煙草（Nicotiana tabacum）中的Nin88基因，之前被認為是具有正常CWIN功能的基因，但研究發(fā)現(xiàn)Nin88的Trp47和Asp239處分別存在色氨酸-蛋氨酸、天冬氨酸-脯氨酸突變，導致了其水解蔗糖能力的喪失［39］.體外實驗表明Nin88可能通過與具有活性的INV或INVINH競爭性結合細胞壁，增強或降低轉化酶水解蔗糖的活性而具有調節(jié)INV活性的作用［39］.在擬南芥中，存在兩個淀粉酶（β-amylase-like），其降解淀粉的活性很低甚至完全喪失，但是這兩個缺陷型淀粉酶可作為轉錄因子，通過和油菜素甾醇互作來調節(jié)擬南芥生長發(fā)育［61］.因此，缺陷型酶雖不具有正常的催化功能，但可能參與調節(jié)正常酶活性，或者參與細胞間信號傳遞.

3 展望

植物的生長發(fā)育與糖代謝和累積密不可分，而蔗糖代謝和碳水化合物分配受INV調控.由此可見，INV在植物生長發(fā)育上有著舉足輕重的作用.隨著現(xiàn)代生物學技術的發(fā)展，INV的基因、結構以及功能的研究都取得了很大進展，但仍存在一些疑惑，亟待解決.CIN是否還具有其他生理功能，Defective INV是否參與調控INV活性翻譯后水平調控，Defective INV和INVINH是否共同調控INV活性，闡明調控INV活性的精細調控，有利于改善植物抗逆性，促進植物生長發(fā)育，以保障作物的高產(chǎn)量和高品質.