背景及概述[1][2]
在高等植物中進行光合作用的“源”組織(主要是成熟葉片) 合成的碳水化合物主要是以蔗糖的形式通過韌皮部運送到非光合作用的“庫”組織(例如花、果實、種子、根) 。到達“庫”組織后，蔗糖被降解成己糖或其衍生物，進一步用于各種新陳代謝和生物合成過程。高等植物中存在 2 種催化蔗糖裂解反應(yīng)的水解酶：蔗糖合酶( sucrose systhase，SS) 和轉(zhuǎn)化酶(invertase，INV) 。當存在尿苷二磷酸( UDP) 時，蔗糖合酶將蔗糖可逆的催化分解 成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖( UDPG)。而轉(zhuǎn)化酶則將蔗糖不可逆的催化水解成葡萄糖和果糖。除了在初級碳代謝中發(fā)揮功能以外，轉(zhuǎn)化酶還廣泛參與了植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)過程。
分類及特點 [1]
按亞細胞定位，轉(zhuǎn)化酶可分為細胞壁轉(zhuǎn)化酶、液泡轉(zhuǎn)化酶和細胞質(zhì)轉(zhuǎn)化酶；按最適 pH 劃分，可分為酸性轉(zhuǎn)化酶和中性轉(zhuǎn)化酶。細胞壁轉(zhuǎn)化酶、液泡轉(zhuǎn)化酶歸為酸性轉(zhuǎn)化酶，而細胞質(zhì)轉(zhuǎn)化酶 歸為中性轉(zhuǎn)化酶。酸性轉(zhuǎn)化酶的最適 pH 為 3.0 ～ 5.0，因為它可以分解蔗糖和其他 β-果糖類寡糖，又被稱為 β-呋喃 果糖苷酶。酸性轉(zhuǎn)化酶又分為可溶性的液泡轉(zhuǎn)化酶和不溶性的細胞壁轉(zhuǎn)化酶 2 種形式。兩類轉(zhuǎn)化酶不僅可以催化蔗糖的裂解，而且可以催化其他果糖糖苷如蘇糖、棉子糖等。研究表明，這 2 種形態(tài)的轉(zhuǎn)化酶是由兩類完全不同的基因家族編碼的。不同形式的轉(zhuǎn)化酶在植物不同發(fā)育階段和不同組織中的作用也不同。
應(yīng)用[3]
1）細胞壁轉(zhuǎn)化酶的作用
在蔗糖經(jīng)質(zhì)外體途徑從韌皮部卸載到庫組織過程中，CWIN 水解胞外的蔗糖，以維持一定的蔗糖濃度梯度，驅(qū)動蔗糖順利卸載。而 CWIN 催化生 成的己糖通過己糖轉(zhuǎn)運蛋白運輸進入受體細胞。 在植物花粉發(fā)育過程中蔗糖是以質(zhì)外體途徑被運送進 入的。因此，CWIN 與花粉發(fā)育關(guān)系密切。煙草花藥特異性 表達的一個 CWIN 基因 Nin88 受到反義抑制后，花粉的早期發(fā)育受到阻礙，因此引發(fā)雄性不育。類似的研究也發(fā)現(xiàn)，低溫、高溫和干旱等非生物脅迫誘導的雄性不育現(xiàn)象與此時植物花藥中的 CWIN 酶活性下降密切相關(guān)，導致輸入花粉粒 的己糖量減少，成熟花粉中的淀粉積累受阻。以上證據(jù)表明，CWIN 主導的蔗糖胞外水解在植物花粉發(fā)育過程中 發(fā)揮了關(guān)鍵作用。而 CWIN 在種子發(fā)育的作用也有諸多報道。玉米中一個編碼 CWIN 的基因 INCW2 突變?nèi)笔Ш?，胚乳細胞有絲分裂受阻，引發(fā)籽粒顯著縮小的表型。對棉花早期種 子發(fā)育過程中細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因 GhCWIN1 的表達模式 進行了探究，推斷 GhCWIN 能抑制傳遞細胞的形成，并參與 調(diào)控胚乳核分裂和胚中維管組織分化過程。
2）液泡轉(zhuǎn)化酶的作用
VIN 在液泡中催化水解蔗糖 成為己糖，因此決定了液泡中的己糖積累水平。研究發(fā)現(xiàn)，在栽培番茄( 己糖積累型) 果實成熟過程中 VIN 的活性大幅度增強，但在野生番茄品種( 蔗糖積累型) 果實成熟過程中其活性一直維持在較低的水平。以至于當 VIN 的表達被抑 制后栽番茄品種果實從己糖積累型轉(zhuǎn)化為蔗糖積累型。進一步研究表明，VIN 能夠調(diào)節(jié)果實和成熟塊莖組織中的各糖類成分的平衡。在很多膨大(伸長) 中的庫組織中都可以觀察到較高的 VIN 表達量或者酶活性。通常研究者認為VIN 能夠通 過滲透調(diào)節(jié)來控制細胞膨大，這是通過將蔗糖水解成 2 倍的 己糖來實現(xiàn)的，細胞滲透壓得以加倍，促進胞外水分流入胞內(nèi)，以驅(qū)動細胞膨大。除了“滲透學說”之外，也有研究表明，在擬南芥中 VIN 可能通過改變細胞壁的伸展性來促進細胞膨大。此外，單細胞的棉花纖維細胞是研究細胞伸長機制的良好模型。
調(diào)控[3]
轉(zhuǎn)化酶在植物生長發(fā)育的多個時期和多個方面發(fā)揮了重要的作用，因此轉(zhuǎn)化酶的活性勢必受到了植物體的精密調(diào)控，以確保植物生長發(fā)育的正常進 行。已有研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化酶受到多種信號的調(diào)控，包括糖信號、植物激素、環(huán)境脅迫和轉(zhuǎn)化酶抑制因子等。
1）轉(zhuǎn)化酶介導的糖信號響應(yīng)
除了作為物質(zhì)來源，糖分也是一種重要的信號分子，在調(diào)控基因表達和植物生長發(fā)育過程中，具有重要的信號轉(zhuǎn)導作用。在蔗糖轉(zhuǎn)化 酶的反應(yīng)中，蔗糖和己糖(葡萄糖、果糖) 分別是酶促反應(yīng)的底物和產(chǎn)物，理論上會對反應(yīng)起到促進和反饋抑制作用。研表明，番茄中 CWIN 基因的表達能夠被蔗糖上調(diào)。而有 意思的是，擬南芥、煙草中 CWIN 基因的表達能夠被葡萄糖上調(diào)。這種葡萄糖含量上升導致對 CWIN 酶活性反饋 促進作用的具體機理尚不明確。另一方面發(fā)現(xiàn)玉米中外源性補充己 糖并不能使 INCW2 缺陷型突變體種子變得微小的表型得以恢復(fù)。相似地，研究者發(fā)現(xiàn)當煙草中花藥特異性表達的 CWIN 被抑制后，補充葡萄糖和果糖僅僅能部分地恢復(fù)花粉 的正常發(fā)育和繁殖。這暗示了 CWIN 的存在不僅僅純粹的提供營養(yǎng)物質(zhì)己糖，還可能通過糖信號系統(tǒng)發(fā)揮調(diào)控作用。
2）轉(zhuǎn)化酶受激素調(diào)節(jié)
植物激素的作用主要是調(diào)控 植物體組織分化和生長發(fā)育過程。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化酶基因和酶活性的表達也受到多種激素的調(diào)控。番茄 CWIN 基因 Lin7 的表達隨赤霉素(GA) 的合成受阻而下調(diào)。研究者將番茄中一個CWIN 基因 Lin5 的啟動子與 GUS 報告基因融合，發(fā)現(xiàn)施加赤霉素( GA) 、生長素( IAA) 和脫落酸(ABA) 都能增加 GUS 的活性，即這些激素都能使 Lin5 的表達上調(diào)。玉米中類似的試驗也證明，ABA 能誘導 VIN 基因 Ivr2 的高表達。此外，油菜素內(nèi)酯能促進番茄幼苗下胚軸節(jié)間的伸長，在下胚軸處 CWIN 基因 Lin6 的表達也受到特異 性誘導。同時轉(zhuǎn)化酶活性的變化也會對相關(guān)植物激素產(chǎn)生相應(yīng)影響。比如煙草中 CWIN 的活性受抑制后，細胞分裂素( CTK) 介導的延緩葉片衰老過程也得到抑制。這也暗示了激素與糖分在信號通路之間很可能存在密切聯(lián)系。
3）轉(zhuǎn)化酶基因表達受環(huán)境脅迫影響
在遭受外界環(huán) 境刺激時，植物由于缺乏移動能力而不斷進化形成了針對各 種脅迫條件的響應(yīng)機制，同時激活自身的防御反應(yīng)。轉(zhuǎn)化酶作為糖代謝及生長發(fā)育中的重要酶之一，也受到各種環(huán)境脅迫的調(diào)節(jié)。
4）轉(zhuǎn)化酶受其內(nèi)源性抑制因子調(diào)控
近年來一類抑制轉(zhuǎn)化酶活性的小分子蛋白質(zhì)在各種植物中被陸續(xù)發(fā) 現(xiàn)，比如煙草、擬南芥和番茄等。通過體外重組蛋白的分析，發(fā)現(xiàn)該抑制因子的分子量一般在 15～23 kD 之 間，定位于細胞壁或液泡中，只有在酸性 pH 時才能與蔗糖轉(zhuǎn) 化酶形成穩(wěn)固的復(fù)合體，在翻譯后水平上抑制轉(zhuǎn)化酶的活性。 進一步研究揭示了轉(zhuǎn)化酶抑制因子在植物體內(nèi)的作用。在馬鈴薯體內(nèi)過表達一個煙草 VIN 抑制因 子基因 NtInvInh2，發(fā)現(xiàn) VIN 酶活性下降，己糖積累和貯藏時塊莖冷誘導變甜過程都受到阻礙。另有研究發(fā)現(xiàn)，番茄中 1 個 CWIN 的抑制因子基因 INVINH1 與 1 個 CWIN 基因 Lin5 在果實韌皮部薄壁組織處共表達，進一步試驗證明，兩者編碼的蛋白在此處也發(fā)生相互作用；在番茄中沉默 INVINH1 后，CWIN 酶活性明顯上升，種子重量和果實己糖含量 得到增加，葉片衰老得到延緩。
主要參考資料
[1] 高等植物中轉(zhuǎn)化酶的研究進展
[2] 轉(zhuǎn)化酶家族基因進化、表達及對草莓果實糖分積累的影響
[3] 高等植物轉(zhuǎn)化酶功能的研究進展