1、高等植物中的转化酶 报告人：王爱华 转化酶的概念 转化酶的分类分布 转化酶在植物糖代谢中的作用 转化酶基因的进化 1 概概 念念 转化酶（Invertase)，又称蔗糖酶或-呋喃果糖苷酶。是与蔗糖代谢密切相关的一种酶，催化蔗糖不可逆水解成葡萄糖和果糖。Sucrose+H2O -Glucose+Fructose 与糖代谢相关的酶 蔗糖磷酸合成酶（SPS）磷酸蔗糖磷酸化酶（SPP）蔗糖合成酶（SuSy）转化酶(Inv)2.1 转化酶的分类转化酶的分类 转化酶类型 最适pH范围 溶解性 底物 是否糖基化 细胞壁类型(酸性,细胞外)4.5-5.0 不溶或可溶 蔗糖/棉籽糖 是 液泡类型(酸性)4.5-
2、5.0 可溶 蔗糖/棉籽糖 是 细胞质类型(中性/碱性)7.0-7.5 可溶 蔗糖 否 2.2 转化酶在源和库细胞中的分布转化酶在源和库细胞中的分布 淀粉 VAC INV 质外体 细胞质 液泡 CYT INV VAC INV 叶绿体 CALVIN 循环 丙糖 蔗糖 葡萄糖 果糖 葡萄糖 果糖 蔗糖 液泡 蔗糖 CYT INV CW INV 库细胞 源细胞 蔗糖 葡萄糖 果糖 果糖 葡萄糖 葡萄糖 果糖 蔗糖 调节植物的生长发育和器官建成调节植物的生长发育和器官建成 细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用 液泡转化酶促进成熟器官液泡的蔗糖积累液泡转化酶促进成熟器官液
3、泡的蔗糖积累 调节淀粉合成调节淀粉合成 一些酸性转化酶基因作用于病原防治一些酸性转化酶基因作用于病原防治 细胞壁转化酶与抗衰老有关细胞壁转化酶与抗衰老有关 酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关 转化酶在信号传导中的作用转化酶在信号传导中的作用 3 转化酶在植物糖代谢中的作用转化酶在植物糖代谢中的作用 3.1 调节植物生长发育和器官建成调节植物生长发育和器官建成 a.一般在植物的分生组织和快速生长的幼嫩的组织和器官中（如幼嫩的叶片、茎、根尖和果实等）细胞壁转化酶以及液泡转化酶的活性较高（Estruch 和 Beltran,1991;Xu 等,1989）
4、b.细胞壁转化酶和单糖转运蛋白互作控制细胞分裂和生长（Weschke 等,2003）c.抑制转化酶基因表达植物生长异常（反义RNA技术）Phenotypic Changes in Transgenic Plantlets Expressing Antisense mRNA for Vacuolar Invertase or Cell Wall Invertase All plantlets were grown on half-strength Murashige and Skoog medium containing only macroelements and microelements
5、and 3%sucrose.The transgenic control plantlets harbor the promoter of the gene for carrot cell wall invertase fused to the GUS reporter gene.(A)Antisense plantlets for cell wall invertase(Acwi-59,Acwi-65,and Acwi-76)and wild-type(W T)and transgenic control plantlets(B)Antisense plantlets for vacuola
6、r invertase(Avi-34,Avi-47,and Avi-65)and wild-type(W T)and transgenic control plantlets 反义mRNA技术研究转化酶功能（1）Source:Plant Cell,Vol.11,177-190,February 1999,Copyright 1999,American Society of Plant Physiologists Phenotypic Changes in Mature Transgenic Plants Plants were grown in soil in a growth chamber
7、.The control plants are transgenic and harbor the promoter of the gene for carrot cell wall invertase fused to the GUS reporter gene.(A)An Acwi plant and a control plant(B)An Avi plant and a control plant Source:Plant Cell,Vol.11,177-190,February 1999,Copyright 1999,American Society of Plant Physiol
8、ogists 反义mRNA技术研究转化酶功能（2）Electron microscopic pictures of pollen from wild-type(A and B)and transgenic plants (C-F)(A)SEM picture of wild-type pollen.(Bar=5 m.)(B)Transmission EM(TEM)picture of wild-type pollen.(Bar=5 m.)(C)SEM picture of pollen from NT23-4.(Bar=5 m.)(D)TEM picture of pollen from NT
9、23-4.(Bar=5 m.)(E)SEM picture of pollen from NT23-6.(Bar=5 m.)(F)TEM picture of pollen from NT23-6.(Bar=5 m.)NT23-4 represents one of the plants whose pollen shows germination efficiencies between 25%and 40%;NT23-6 is one of the plants with germination efficiency 2%Source:Marc Goetz,PNAS 2001;98:652
10、2-6527 反义mRNA技术研究转化酶功能（3）3.2 细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用细胞壁转化酶在蔗糖的卸载中发挥作用 Bachelier等（1997）认为处于细胞壁的转化酶能调节蔗糖从韧皮部卸出，并且控制蔗糖吸收速度。Sturm和Tang（1999）认为细胞壁转化酶使蔗糖在源和库之间形成了浓度梯度，是蔗糖卸载的关键酶。细胞壁转化酶主要作用于质外体卸载(Wobus 和Weber,1999;Weschke 等,2003)3.3 液泡转化酶有利于成熟器官液泡积累蔗糖液泡转化酶有利于成熟器官液泡积累蔗糖 a.蔗糖进入液泡具有代谢上的双重作用（Tauberger 等,1999）b.液泡转化酶通
11、过液泡的蔗糖循环，调节蔗糖从叶片输入液泡的有效性（Scholes 等,1996）c.液泡转化酶在控制一些库组织的糖分平衡以及保持膨压上扮演重要角色（Koch 和 Zeng,2002)3.4 转化酶调节淀粉合成转化酶调节淀粉合成 a.蔗糖和淀粉的代谢直接相关，而转化酶则被认为是控制淀粉合成的关键酶（Tiessen 等,2002）b.转化酶活性与玉米子房的淀粉量有关(Zinselmeier et al.,1999)c.细胞壁转化酶活性的下降导致花药淀粉含量下降的（Sheoran and Saini,1996;Dorion et al.,1996）3.5 一些转化酶基因参于病原防治一些转化酶基因参于
12、病原防治 a.植物受到一些病菌侵染后酸性转化酶被激活（Tang 等,1996，Wacheter 等,2003;Herbers 和Sonnewald,1998）b.Jang 和Sheen（1996）认为防御相关的基因就是受到转化酶参与的糖信号传导途径而被激活的 c.Roitsch 等（2003）则直接认为细胞壁转化酶不仅是糖代谢的关键酶，而且它同时也是一个PR（pathogenesis-related）蛋白 植物激素 细胞壁转化酶 碳水化合物状态 病菌侵染 细胞壁转化酶在植物-病原相互反应中 的功能模拟图 Journal of Experimental Botany,vol.54,382 3.6
13、 细胞壁转化酶与抗衰老有关细胞壁转化酶与抗衰老有关 在SAG12启动子下 抑制衰老进程 转化酶基因 超量表达 叶片衰老异常延迟 抑制表达 Cytokinin不再抑制衰老 细胞壁转化酶是抑制衰老必不可少的因子(Maria Encarnacion et al.,2004)转基因(SAG12:Cin1)抑制烟草叶片 的衰老 The plant cell,16:1276-1287,2004 3.7 酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关酸性转化酶与植物的非生物（干旱）抗性有关 a.酶的活性测定结果显示，干旱下蔗糖的积累是由于转化酶的活性下降所致(Sheoran 和 Saini,1996；Zinsel
14、meier 等 1999)b.玉米研究中发现，干旱情况下转化酶的活性下降恰好发生在花药败育开始之前(Dorion 等,1996)c.干旱胁迫下玉米叶片组织中己糖的积累伴随着液泡转化酶活性的大量诱导(Pelleschi 等,1999)，并发现干旱下转化酶活性QTL与Ivr2连锁 渗透调节信号 损伤 细胞壁转细胞壁转化酶化酶 液泡转化酶 干旱抗性干旱抗性 细胞分裂&膨大 调控 干旱 解毒反应信号 生长抑制 损伤控制 和修复 渗透平衡 转化酶在植物干旱胁迫应对机制中的作用-理想模式图 3.8 转化酶在信号传导中的作用转化酶在信号传导中的作用 a.转化酶基因的表达受植物激素、非生物信号、致病信号的调控
15、（Long et al.,2002;Trouverie et al.,2003;Roitsch et al.,2000)b.由转化酶水解而来的己糖调控参与合成或感应激素的基因的表达（Rolland et al.,2002;Gibson et al.,2004)蔗糖 转化酶 蔗糖合成酶 果糖 葡萄糖 果糖 UDP 葡萄糖 己糖 信号？己糖信号 蔗糖信号 Current Opinion in Plant Biology,2004,7:235-246 蔗糖裂解酶与糖信号传播途径 4 转化酶基因的进化转化酶基因的进化 a.酸性转化酶与来自呼吸真菌（酵母）和需氧细菌的转化酶有着密切的关系（Sturm 和 Chrispeels,1990）液泡类型的转化酶源于细胞壁转化酶(Nielsen 等,1997;Tague 等,1990)b.中性/碱性转化酶与光合细菌的转化酶密切相关（Vargas 等,2003）原始真核 细胞 光合细菌类 低等藻类以及高等植物 自养型-合成蔗糖 中性/碱性转化酶 -胞质的 酸性转化酶 -细胞壁 -液泡 中性/碱性转化酶 -胞质的 呼吸非光合的真核细胞 酸性转化酶 -细胞壁 -液泡(?)真细菌 酸性转化酶-质膜 异养型-消耗蔗糖 获得线粒体 获得叶绿体 转化酶基因的进化过程 感谢