SWEET蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展.pdf

植物资源与环境学报 ():综述.收稿日期:基金项目:江苏省农业科技自主创新项目()江苏省林业科技创新与推广项目()作者简介:张计育()男山西沁县人博士副研究员主要从事薄壳山核桃种质资源与分子生物学方面的研究通信作者:.引用格式:张计育 王 刚 王 涛 等.蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展.植物资源与环境学报 ():.蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展张计育 王 刚 王 涛 贾展慧 宣继萍江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园)江苏省植物资源研究与利用重点实验室 江苏 南京 摘要:光合作用同化物分配供给是果实和种子发育的主要限制因子增加蔗糖分配转运到果实和种子是增产优质的潜在策略()是近年来被鉴定较多的一类糖转运蛋白该蛋白质通过从源叶运输营养物质调控库组织发育参与植物生长发育以及生物和非生物胁迫反应 蛋白定位于膜结构属于 家族通常包含 个跨膜结构域其中包含 个/结构域 随着染色体加倍、片段复制和串联复制等 基因在物种中得到扩张 和 基因是作物驯化改良过程中选择的关键基因 蛋白是蜜腺特异性糖转运蛋白参与植物蜜腺的进化 和 蛋白参与植物根系生长发育 和 蛋白参与植物种子胚乳填充 本文系统综述了 蛋白的结构、数量、分类、亚细胞定位、成员扩张与进化分析了 蛋白在叶、茎、根系发育花药发育花蜜分泌种子填充和果实发育等植物生长发育中的功能作用强调了 蛋白在作物改良中的应用说明增强源库强度对作物产量提高的可持续性具有重要意义关键词:蛋白 根系发育 花药发育 花蜜分泌 种子填充中图分类号:.文献标志码:文章编号:():./.(.).():.()./.植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷 .:糖作为高等植物能量储备和其他有机化合物的组成部分是植物生长发育以及生物和非生物胁迫反应相关的信号分子 明确糖的合成和消耗以及细胞间和细胞内糖的转运机制是植物性状改良的关键 光合产物从源叶到库组织的运输是植物源库平衡的一个基本特征需要通过共质体和质外体的韧皮部负载机制完成 蔗糖是许多植物光合作用的主要产物蔗糖在细胞间转运是由质外体途径(由质膜转运蛋白从一个细胞输出随后由另一个转运蛋白输入到相邻细胞)或通过胞间连丝的共质体途径转运 长距离运输蔗糖从源叶到各种库组织可促进新叶、根、花、果实和种子等器官的发育因此提高蔗糖从源叶到库组织的运输效率尤其是果实和种子中的卸载效率是提高作物产量和品质的关键 种子中糖的输入直接决定种子大小种子填充与作物产量密切相关研究作物种子填充机制对品种改良至关重要糖转运蛋白是植物体运输途径的关键组成部分包 括 种 关 键 类 型 分 别 为 单 糖 转 运 蛋 白()、蔗 糖 转 运 蛋 白()和 ()在玉米(.)、拟 南 芥 (.).和马铃薯(.)等植物中通过质外体韧皮部装载途径蔗糖利用 蛋白从韧皮部薄壁组织细胞输出细胞质进入质外体/细胞壁空间通过 蛋白将蔗糖装载进入筛分子伴侣细胞复合体转运到库组织 和 蛋白在库组织中同样具有卸载功能 蛋白是近年来被鉴别较多的糖转运蛋白之一存在于所有的生物体中 蛋白在植物生长发育过程中发挥不同的生理作用例如:控制植物生长和防御促进蔗糖从源到库的长距离转运参与营养生长、繁殖、衰老、生物和非生 物 应 激 反应 对植物 基因进行遗传转化可以改良光合产物的分配增加产量增强对病原菌的抗性本文系统综述了 蛋白在植物生长发育过程中的功能作用机制 蛋白的结构、数量和分类随着基因组测序技术的迅速发展越来越多植物的参考基因组得以公布与此同时物种中的 蛋白得到快速鉴定 蛋白在植物、动物和微生物中广泛存在为定位于膜结构的糖转运蛋白属于 家族 蛋白通常包含 个跨膜结构域()其中包含 个/结构域(代码)植物中的 蛋白可分为 类(表)其中拟南芥有 个 蛋白第类含有 个 蛋白(、和)第类含有 个 蛋白(、和)第类含有 个 蛋白(和)这 类主要转运己糖第类含有 个 蛋白(、和)主 要 转 运 蔗糖 不同 蛋白位于不同的细胞区室、和 主要位于细胞质膜、和 主要位于液泡膜 其他植物的 蛋白根据拟南芥进行分类和命名 同一类 蛋 白 在 不 同 植 物 中 存 在 差 异 如 香 蕉()蛋 白 第 类 中 缺 少第类中缺少 和 第类中仅含有 且 有 个同源蛋白分 别 为、和 蛋白家族成员扩张与进化.蛋白家族成员扩张多倍体在植物进化过程中起着至关重要的作用许多被子植物都经历过 次或多次多倍体化从而导第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展 表 不同植物 蛋白的数量和分类 植物数量分类 参考文献拟南芥 香蕉 荔枝 马铃薯 大麦 水稻 苹果 番茄 葡萄 茶树 玉米 杨树 .枣 .植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷致基因家族成员扩张 植物平均 含 有 个 基因而大豆(.)中含有 个大豆至少经历了 次全基因组复制约 的基因存 在 多 个 拷 贝、和组 成 的基 因 簇 与、和 组 成 的 基因簇在 号和 号染色体之间串联重复 号和 号染色体以及 号和 号染色体之间也存在类似串联重复簇 毛果杨(.)同样经历了至少 次全基因组复制事件随后是片段复制和串联复制事件杨树(.)基因经历了 次复制事件包括 个串联复制事件和 个全基因组复制事件第、第和第类 基因存在片段重复和串联重复 大麦(.)中有 对片段重复(/和/)和 对串联重复(/和/)玉米含有 对片段重复和 对串联重复粱(.).、水稻(.)和高粱 (.)分别含有、和 对片段重复 异源六倍体小麦含有 个 基因成员这可能与巨大的基因组、高度重复的基因组序列以及包含 个密切相关的亚基因组有关 等的研究结果显示:种植物基因组的 个 基因中有 个串联基因和 个片段重复且其中 个 基因同时存在串联和片段重复 这些研究结果表明:随着染色体加倍、片段复制和串联复制等 基因在物种中得到了扩张.蛋白家族成员进化.参与物种驯化改良玉米基因组含有 个 同 源 基 因 而 水 稻 基 因 组 中 仅 有 个 基因推测玉米和水稻的 基因是从二者共同祖先中的某一个基因进化而来 玉米 和水稻 蛋白转运己糖促进胚乳发育和种子填充 蛋白是玉米和水稻驯化过程中选择的目标位点 大豆 基因组区域含有 个明显变异其中位于第 个外显子上的 插入缺失是导致种子中油脂和蛋白质含量变化的主要等位基因 缺失导致 基因少了 个氨基酸 大豆 基因中 存在()品种种子的油脂含量低而蛋白质含量高而 基因中 缺失()品种种子的油脂含量高而蛋白质含量低 由此可见大豆 基因的自然变异和选择影响其种子中油脂和蛋白质含量 在大豆改良和驯化过程中()同源基因的选择可用于培育高油品种()同源基因的选择可用于培育高蛋白品种 这些结果说明 蛋白在植物引种驯化改良过程中起着积极作用.参与植物蜜腺进化 花蜜是介导植物与动物之间相互作用的一种主要奖励媒介蜜腺经历了多次进化 茄目()植物有雌蕊蜜腺而十字花目()植物通常有雄蕊外蜜腺和雄蕊内蜜腺 推测 蛋白在核心真双子叶植物进化的早期出现或者是在菊分支()和蔷薇分支()中被独立用于雌蕊以及雄蕊内和雄蕊外的蜜腺功能 系统进化研究结果表明:蛋白与核心真双子叶植物进化吻合大约出现在.亿年前 蛋白是拟南芥(雄蕊外蜜腺)、蔓菁(.)(雄蕊外蜜腺)和渐狭叶烟草(.)(雌蕊蜜腺)种双子叶植物蜜腺特异性糖转运蛋白 水稻、玉米和大麦的花是风媒花无蜜腺缺少 蛋白 毛果杨的花也是风媒花缺少功能花内蜜腺具有花外蜜腺含 和 同源基因且毛果杨花外蜜腺富含己糖这些花外蜜腺具有吸引蚂蚁抵抗其他昆虫的作用 招募 蛋白用于蔗糖输出是植物的一个“关键创新”有助于花蜜分泌的进化以奖励传粉者 由此可见蜜腺特异性糖转运蛋白参与植物蜜腺进化.参与赤霉素()转运活性的进化在植物进化过程中 蛋白的 转运活性形成是独立 和 偶 然 的 水 稻 蛋 白 和 高 粱 蛋白从葡萄糖转运蛋白进化而来而拟南芥 和 蛋白从蔗糖转运蛋白进化而来这些蛋白质在进化过程中被赋予 转运活性参与植物生长发育过程 突变体植株的种子发芽和茎早期生长受影响 和 突变体植株的种子发育、秧苗早期发育和花药发育受影响 外源 和 处理可以部分恢复 敲 除 突 变 体 和 过 量 表 达 植 株 的表型第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展 蛋白在营养器官中的功能作用.在叶片中的功能作用在番茄(.)幼叶(库)中葡萄糖转运蛋白 在卸载的叶脉组织中强烈表达 突变体植株中葡萄糖和果糖在幼叶中显著减少在成熟叶片中显著增加说明 蛋白在幼叶(库)组织从质外体摄取葡萄糖到薄壁组织中起重要作用蔗糖在成熟叶片叶肉细胞中合成 蛋白介导蔗糖流入质外体是质外体韧皮部装载的关键步骤 拟 南 芥 蔗 糖 转 运 蛋 白 和 在叶片韧皮部薄壁组织、近端的伴侣细胞和筛分子中高表达/双突变体植株韧皮部装载蔗糖存在缺陷限制蔗糖向库组织中转运叶片中淀粉和可溶性糖大量积累导致植株矮化高粱、和 基因在叶片和茎中表达量高这些基因的表达模式与茎中的蔗糖积累相对应 玉米中、和 基因在叶鞘和叶脉中表达/三突变体植株发育严重不良韧皮部装载受损光合活性降低叶片中积累较高水平的可溶性糖和淀粉 马铃薯 蛋白是韧皮部装载蔗糖的转运中枢 突变体植株产量减少叶片中淀粉和蔗糖积累增加 这些结果表明 蛋白对源叶中蔗糖的装载过程起着重要的作用在拟南芥叶片衰老过程中 基因表达显著上调该基因过量表达会加快叶片衰老表明 蛋白在糖再分配中的作用 白梨(.)基 因 是 基 因 的 同 源 基 因 该 基 因 在 野 草 莓(.)中过量表达会降低叶片中糖和叶绿素含量加速叶片衰老.在茎中的功能作用水稻 和 蛋白位于细胞质膜在幼苗发育早期转运葡萄糖和赤霉素()基因在幼苗期茎基部(冠状根到盾片上表皮包括盾片和中胚轴)的表达量最高 与野生型植株相比 基因过量表达植株及其敲除突变体 代植株在表型上均没有明显差异代植株表现出发芽延迟和生长延缓 在水稻幼苗发育早期 和 基因共表达于茎基部的维管束说明 蛋白在幼苗茎基部的维管束中有表达参与 和葡萄糖向幼叶转运在幼叶中 通过 蛋白转换成有生物活性的 促进幼苗茎的早期发育 与葡萄糖从胚乳通过中胚轴维管束长距离运输到叶原基有利于水稻幼苗的旺盛生长 蛋白通过质外体途径将糖从韧皮部复合物卸载到库组织 马铃薯 蛋白在其匍匐茎和块茎库组织的韧皮部伴生细胞中表达将蔗糖从库 组 织 向 质 外 体 空 间 转 运 因 此 在:植株茎质外体空间中蔗糖的含量高于 植株 马铃薯()蛋白 是块茎形成必需的蛋白质在块茎形成过程中该蛋白质在匍匐茎根尖和亚根尖分生组织韧皮部表达并与 蛋白相互作用阻断蔗糖向质外体渗漏使块茎中的蔗糖卸载从质外体形式转变为共质体形式预示块茎形成 这些结果表明 蛋白与其他蛋白质精密协调调控源库关系.在根系中的功能作用根系生长和形态建成受发育和各种环境因子的影响 糖是调节根系模块建立的信号分子影响根系的生长发育 液泡是植物细胞中最大的细胞器主要调控糖动态贮藏过程 蔗糖从韧皮部卸载后水解成葡萄糖和果糖液泡 蛋白将果糖从细胞质转运到液泡果糖是液泡中糖储藏的主要形式且绝大多数果糖储藏在液泡中储藏在根液泡中的果糖可能是根细胞生长的重要能量来源在根伸长区促进新形成细胞的迅速扩张并加速细胞器的成熟 葡萄糖和蔗糖促进初生根的生长葡萄糖、果糖和蔗糖显著诱导一级侧根的发育和生长其中果糖尤为显著 但细胞质中高水平的果糖抑制根系生长和幼苗发育 蛋白参与根伸长区生长发育 蛋白在成熟叶片中的表达量相对较低而在根系中的表达量较高 蛋白主要富集在根成熟区的皮层细胞 外源果糖和暗处理均可诱导根伸长区 蛋白的表达 果糖显著抑制初生根的生长与野生型植株相比质量体积分数 和 外源果糖处理显著抑制 突变体植株初生根生植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷长 突变体植株表现出对果糖的敏感性限制果糖转运到液泡中导致细胞质中果糖浓度增加 而过量表达 基因增强了植株对果糖的耐性说明 蛋白介导液泡中果糖的摄入改变 蛋白的表达影响细胞内果糖的分配进而影响根系对高浓度果糖的敏感性 低温胁迫处理 诱导野生型植株液泡中果糖含量增加 倍 与 野 生 型 植 株 相 比 较 过 量 表 达 基因植株叶片中果糖含量降低 其他糖含量没有明显变化 说明 蛋白参与液泡中果糖的输出位于根液泡膜的 蛋白既可以通过液泡膜摄取细胞质中多余的果糖也可以释放存储在液泡中的果糖 蛋白在促进果糖通过根液泡膜的双向转运中发挥关键作用以响应代谢需求和维持细胞质中果糖动态平衡 蛋白参与侧根生长发育 外源果糖处理显著诱导侧根生长和发育所需基因、和 的表达 等的研究结果表明:蛋白在侧根原基处强烈富集在侧根萌发的后期该蛋白质在微管系统中富集随后在侧根根尖及其周围细胞中表达且在侧根分生区微管中表达 这些结果表明 蛋白主要在侧根形成的区域表达 突变体植株叶片中含有高水平的果糖 在干旱胁迫条件下 突变体植株和野生型植株根系中的葡萄糖、果糖和蔗糖含量显著升高但 突变体植株根系中果糖含量始终高于野生型植株 与野生型植株相比 突变体植株侧根形成受阻侧根长度缩短侧根密度降低同时侧根生长和发育所需基因、和 的表达量显著降低 外源果糖处理诱导根系中 基因的表达促进细胞质中果糖进入液泡从而减弱细胞质中果糖的毒害作用 这些结果表明 突变体植株细胞质中富集过多的果糖对植株根系的生长和发育具有毒害作用 干旱胁迫诱导 基因的表达 突变体植株对干旱的耐性降低 在干旱胁迫下 敲除突变体植株侧根生长减慢侧根发育相关转录因子表达减少抗旱性下降 是 的 同 源 基 因 等研究认为 基因在叶片和花柄的木质部薄壁组织中表达水平极低而在根皮层细胞中强烈表达主要在根部发挥作用 和 是仅有的 个在根中高表达的 蛋白家族成员说明第类 蛋白在根中具有特定的功能 和 突变体植株液泡果糖摄取活性显 著 降 低 而 在 低 温 胁 迫 条 件 下 过 量 表 达 蛋白同样减少果糖的积累 与 突变体植株相比/双突变体植株根对过量果糖的耐性没有进一步降低 这些结果表明 和 蛋白在根细胞的液泡膜上交换糖的途径可能不同 鉴于 基因在根中的表达量明显高于 基因 很可能是根液泡膜上主要的果糖转运蛋白 液泡膜上含有多种糖转运蛋白介导不同类型糖的输入和输出与其他液泡膜糖转运蛋白相比 蛋白仅转运果糖葡萄糖、果糖和蔗糖渗透胁迫以及低温处理显著降低 基因的表达量缺氮处理降低该基因的表达量但是高氮处理增加该基因的表达量高浓度糖抑制植物发育尤其是在种子发芽的早期阶段 在 高 糖 条 件 下 转 基 因 植 株 过 量 表 达 基因可以提高种子的发芽效率其原因是位于液泡膜上的 蛋白具有转运葡萄糖、果糖和蔗糖的功能同时过量表达的 蛋白促进了细胞质中葡萄糖、果糖和蔗糖进入液泡从而减少了细胞质中过量糖的毒害作用 在氮充足或高氮利用效率的情况下过量表达 基因将液泡中的糖转移到细胞质中 蛋白磷酸化后作为还原态氮的碳受体因此过量表达 基因降低了植株中葡萄糖和果糖的含量其中在高氮条件下果糖含量显著降低 在正常生长和高氮条件下过量表达 基因的拟南芥茎和根的生长量显著增加氮利用效率明显提高除了 和 蛋白外 蛋白也参与了根系的生长发育 蛋白在根中表达特别是根冠、根尖、根毛和成熟区表皮 插入突变体植株对高浓度葡萄糖的敏感性增加叶片中葡萄糖含量降低根中葡萄糖流出量较野生型植株提高了 在过量葡萄糖条件下 蛋白将葡萄糖运输到液泡短暂存储 因此 蛋白对高浓度葡萄糖有缓解作用阻止糖从根组织流失具有平衡碳流失到根际的功能 侵染诱导 基因的表达 突变体对 的敏感性增加根系液泡膜上表达的己第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展糖转运蛋白 调控糖分泌降低了隔离在液泡中葡萄糖可利用性限制糖流失到根际中增强了对 的抗性蒺 藜 苜 蓿(.)的 蛋白是根瘤菌特异的蔗糖质膜转运蛋白在根瘤菌表皮(包括分生组织和侵染区域)和维管系统中表达且在根瘤(包括远端侵入区和分生组织)中 表 达 量 最 大 另 外 时 空 表 达 结 果 表 明 蛋白在根瘤菌发育的整个时期以及成熟根瘤菌共生氮固定时期均起作用 未侵染根瘤菌植株的 蛋白位于质膜而侵染后位于感染线和共生膜上 突变体植株的固氮功能没有受到影响可能是其他糖转运蛋白填补了这一功能 蛋白在生殖器官中的功能作用.在花粉中的功能作用花粉发育是产生雄配子体的必要条件雄配子体对植物有性生殖和产量至关重要 在开花植物中花粉细胞在花药中发育花药通过雄蕊中的花丝附着在花托上 在花形成过程中花药发育表现出较高的养分消耗强度 由于绿色萼片和幼嫩花瓣只能提供有限的光合作用同化物花粉生长在很大程度上依赖于碳源的输入主要是来自源叶的蔗糖根据形态特征拟南芥花药发育可以分为 个阶段 基因在花中的表达量最高 基因在阶段(四裂花药形成)表达在减数分裂过程中绒毛层和小孢子细胞中 基因的表达量显著增加阶段(单倍体小孢子四分体形成)基因的表达量下降阶段(绒毛层完全降解花粉粒形成)时该蛋白质在花粉粒中表达 突变体中小孢子质膜形成受到影响在四分体阶段由于孢粉素沉积异常小孢子的外壁形成受到严重受阻并且在减数分裂后的发育过程中小孢子大多破裂和死亡导致雄性不育 这些结果说明 蛋白在花药发育早期阶段维持小孢子质膜的完整性或者调控小孢子质膜的适时变化以满足初生外壁形成拟南芥/双突变体植株花粉活力低且花粉萌发率低导致花粉败育 由此可见/双突变体植株的育性降低是由花粉缺陷导致 花粉从花药壁的体细胞层分离出来花粉发育需要花药小室提供营养 花药壁有 层分别为表皮、药室内壁、中层和绒毡层其中表皮在花药发育过程中起保护作用药室内壁贮藏淀粉与花药开裂有关释放花粉中层在花药发育后期消失绒毡层促进营养和水分的流动促进花粉粒的发育分泌花粉形 成 的 外 壁 成 分 后 期 绒 毡 层 退 化 解 体 和 基因仅在花药发育后期的花药壁(包括内表皮和外表皮)中表达中层和绒毡层已完全解体 拟南芥花药发育后期/双突变体植株花药中积累过多的淀粉且主要集中在花药的外表皮和内表皮细胞中/双突变体植株花粉粒的长度和宽度显著减小其花粉粒中葡萄糖、果糖和蔗糖的含量也显著低于野生型植株花药裂开延迟 这些结果表明/双突变体植株不能将蔗糖从内皮层运输到花粉粒无法为花粉发育提供充足的糖分导致花粉粒发育不良这是花粉败育的主要原因 油脂是成熟花粉粒中碳储藏的另一种主要形式 糖是花粉粒油脂生物合成的主要来源油脂积累缺陷影响花粉活力和授粉受精/双突变体植株花粉中脂肪酸含量与野生型植株没有明显差异 虽然拟南芥/双突变体植株花粉活性显著降低但是仍有少量活性原因可能是其他 蛋白的表达或者是花药早期发育阶段生物合成的淀粉降解 蔗糖和赤霉素()都被证明是 或 蛋 白 的 底 物 和 蛋白介导的蔗糖转运对花粉活力和花粉萌发至关重要 蛋白转运半乳糖在花粉发育的三细胞阶段开始表达在成熟的花粉中表达量最大在花粉萌发前表达量快速下降 在外源半乳糖处理条件下过量表达 蛋白花粉的萌发率显著下降而 突变体植株花粉萌发无变化说明 蛋白在花粉萌发时期对半乳糖敏感已有研究结果表明:、和 蛋白能介导 转运、和 蛋白具有微弱的 介导活性 然而通过外源 处理/双突变体植株的花药开裂得以部分恢复 突变体植株的种子萌发和早期芽发 育 缺 陷 可 以 恢 复 表 明 和植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷 蛋白在花药中介导 转运 在调控花丝伸长和花药开裂中起重要作用 拟南芥 和 突变体表现出花丝伸长受损和开裂延迟但 和 突变体花粉具有活性表明 调控的花药开裂可能与花粉活力无关 花药发育的不同阶段可能需要特定的 转运蛋白 和 蛋白转运的 可能与花药开裂有关番茄 基因在花中的表达量明显多于其他 个 基因并且该基因在营养器官中表达量很低 基因主要在花发育后期的雄蕊中明显表达而此时小孢子逐渐形成绒毡层细胞降解位于绒毡中的糖转移到小室在小孢子成熟过程中小室和花粉粒中的糖逐渐积累在开花前达到最高水平 基因在雄蕊中的特异性表达与花粉细 胞 中 的 糖 积 累 同 时 存 在 介 导 的 基因表达抑制导致无核花粉细胞萎缩、萌发受损和种子产量降低 此外 沉默突变体的雄蕊中蔗糖含量显著降低蔗糖酶活性增加表明碳供应减少蔗糖平衡紊乱 在花粉成熟阶段小孢子和花粉细胞壁的形成需要大量的糖 基因在成熟花芽中明显表达尤其是在花药维管束和内细胞、离体小孢子(花粉粒)以及花柱中表明定位在质膜的 蛋白促进韧皮部细胞的蔗糖卸载一旦糖被转移到花药内层细胞 蛋白促进己糖被动输出到药室药室中大部分蔗糖被细胞壁转化酶转化为葡萄糖和果糖药室中高浓度单糖促使成熟的花粉粒通过 蛋 白 摄 取 己 糖 这 些 结 果 表 明 质 膜 蛋 白 通过介导质外体的己糖进入韧皮部卸载细胞和发育的花粉细胞支持番茄花粉的有丝分裂和成熟 蛋白在花柱中表达可能与授粉有关授粉后花粉管快速生长将精核输送到胚珠进行受精而花粉管生长所需的高能量依赖于周围组织分泌的氨基酸和糖形式的营养物质的持续供应 蛋白可能有助于糖从花柱细胞卸载到传输道在传输道中糖的吸收是由蛋白质驱动的/和己糖转运蛋白介导水稻()突变体植株的花粉育性降低大多数花粉粒有缺陷这可能与其缺乏淀粉有关 和 基因在花药以及内稃和外稃脉络中表达且在雄蕊中没有重叠在小孢子和绒毛层没有表达其中 基因在花丝(花药花梗)顶端表达 基因在花药脉中表达且起始于 基因表达的终端另外 基因在花药维管束中也有表达 因此 蛋白可能在花药基区脉管系统释放底物的过程中发挥作用而 蛋白可能在花药脉中发挥作用另外蛋白在主根的中柱、侧根发生区域、叶脉和小穗分枝中表达 值得注意的是 温室中生长的 水 稻 敲除突变体植株未表现出明显的雄性生育缺陷 等认为 和 突变体植株没有生殖缺陷 基因 端的 干扰导致水稻花粉育性降低花粉粒中淀粉含量 降 低 可 能 是 干 扰 同 时 影 响 了 和 基 因 的 功 能/双突变体植株由于雄配子体发育缺陷花粉缺陷不能产生单个可育种子导致无生殖能力 另外/双突变体植株花粉形态异常糖供给不足淀粉含量显著低于野生型植株因此 和 蛋白分别在花药柄和花药脉中表达这 个位置 底物转移的综合缺陷导致转运到花粉的糖不足淀粉含量降低从而导致雄性不育 外源 处理可以恢复拟南芥/双突变体的雄性不育特性但是对水稻/双突变体的雄性不育无积极作用 或 蛋白没有 转运活性表明/双突变体由于蔗糖转运缺陷导致雄性不育而非 供给降低导致被子植物花蜜合成和分泌具有花内蜜腺和花外蜜腺 种类型 花蜜的生物合成在花内蜜腺和花外蜜腺中具有保守性 拟南芥是一种自交亲和可育植物发育出功能蜜腺生产挥发物和富含己糖的花蜜 拟南芥 基因在蜜腺中高表达介导蔗糖摄入和流出 在拟南芥 突变体植株中未检测到花蜜滴过表达 基因可以增加花 蜜 量 和 葡 萄 糖 量 突 变 体 中 转 入 基因可以恢复花蜜分泌 在成熟过程中 基因在花内蜜腺中表达量增加在花蜜分泌最多时表达量最大 开花前淀粉在野生型植株的蜜腺薄壁组织色素体中积累并降解生成糖支持花蜜分泌 突变体植株蜜腺薄壁组织的所有细胞中都有淀粉积累表明 蛋白负第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展责细胞中糖流出开花期野生型植株的花蜜保护组织中含有淀粉粒可能是花蜜中糖的再次吸收而 突变体植株没有该特性 个蔗糖磷酸合成酶基因 和 在拟南芥成熟蜜腺中高表达 基因表达受到抑制后淀粉积累增加花蜜分泌功能丧失在拟南芥蜜腺薄壁组织中淀粉驱动蔗糖生物合成后由 蛋白转运到细胞外空间 蛋白将蔗糖分解成葡萄糖和果糖产生足够大的渗透势使水沿渗透梯度向下流动促进花蜜形成 蛋白还参与了蔓菁(雄蕊外蜜腺)和渐狭叶烟草(雌蕊蜜腺)花蜜分泌 这些结果说明 蛋白是拟南芥、蔓菁和渐狭叶烟草 种双子叶植物中花蜜特有的糖转运蛋白花蜜分泌阶段 和 基因的相对表达水平决定花蜜中是否富含己糖 如拟南芥和菥蓂(.)花蜜分泌阶段 和 基因的表达量接近花蜜中富含己糖而陆地棉(.)的花外蜜腺分泌的花蜜中富含蔗糖 基因的表达量仅为 基 因 的/西 葫 芦(.)、向日葵(.)和笋瓜(.)花蜜中也富含蔗糖 与 基因的表达无相关性.在种子中的功能作用拟南芥种子填充需要 个蔗糖质膜转运蛋白、和 基因主要在线形胚子叶期和成熟绿色胚期的胚乳和种皮中表达 基因在线形胚子叶期和成熟绿色胚期的种皮中表达量最大在球心胚期的胚柄和种皮珠孔端表达 基因在球心胚期和成熟绿色胚期的胚乳中表达在球心胚前期种子中表达量很弱但是在线形胚子叶期和成熟绿色胚期的种皮中表 达 量 很 高、和 基因在种子发育过程中表现出特定的时空表达模式但只有/三突变体植株表现出严重的种子缺陷包括胚发育迟缓、种子质量降低、淀粉和脂质含量降低导致种子皱缩并且在/三突变体植株中淀粉在种皮中积累而不是在胚中积累这表明糖从种皮转移到胚中是由、和 蛋白介导的蔗糖流入 在拟南芥种子发育早期阶段蔗糖通过维管束卸载到韧皮部 蔗糖通过共质体途径向种皮的珠孔端转运随后 蛋白将蔗糖转运到质外体空间 在球心胚期的珠孔端随着 蛋白的出现共质体卸载转变为质外体卸载 蛋白在种皮珠孔端表达说明 蛋白转运蔗糖到种皮珠孔端卸载的蔗糖用于种皮中淀粉的积累和胚乳中细胞壁生物合成 蛋白在种子发育早期阶段的胚柄中表达说明 蛋白将一些蔗糖从种皮通 过 胚 柄 直 接 运 输 到 胚 在 种 子 发 育 后 期 蛋白从内珠被、而 蛋白从外珠被向胚运输蔗糖以满足胚的正常发育 植物胚胎的发育依赖于母体组织通过种皮和胚乳提供的营养 蔗糖是植物中糖类的主要运输形式通过韧皮部传递到母体种皮然后从种皮分泌出来供养胚胎玉米 蛋白通过基胚乳转移层转运葡萄糖和果糖到胚乳基胚乳转移层是营养进入种子的输入口而玉米 和水稻 突变体植株表现出种子填充缺陷表明基胚乳转移层缺少己糖转运蛋白导致母体韧皮部的糖不能转移到胚乳说明在玉米和水稻驯化过程中 蛋白可能是被招募来增加糖输入到胚乳 果实发育早期细胞壁转化酶 将输入的蔗糖转化为己糖(葡萄糖和果糖)蛋白将己糖转运到胚乳己糖可以促进有丝分裂增加细胞数量果实发育后期蛋白停止表达诱导蔗糖转运蔗糖作为细胞分化信号促进储藏产物积累已有研究结果显示:水稻 基因在授粉后 的表达量最高随后表达量下降而、和 基因的表达量逐渐升高在发育后期达到较高的水平且在水稻颖 果 发 育 过 程 中、和 基因的 表达水平均为最高这些基因编码的蛋白质定位于胚珠维管束、珠心突起、环绕胚乳的珠心表皮以及糊粉层 另外 突变体植株颖果成熟延迟约 籽粒皱缩千粒质量和产量减少籽粒灌浆速率和结籽率降低与野生型植株相比 突变体植株种子胚囊中蔗糖浓度显著降低导致籽粒填充缺陷单粒质量和结实率降低 突变体和野生型水稻的杂交结果表明突变母本供体导致籽粒灌浆缺陷 和 突 变 体 种 子 没 有 明 显 表 型 差 异 与 突变体相比/和/双植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷突变体籽粒皱缩且直径变小胚乳形成受阻且在果皮中积累淀粉而颖果中均未形成具有功能的胚乳而与 野 生 型 植 株 相 比 较 突 变 体 以 及/和/双突变体植株的高度、每株穗数和小穗数没有明显差异 胚珠突起与糊粉层、胚珠表皮与糊粉层的糖转运不存在共质体途径 这些结果表明在胚珠维管束蔗糖从韧皮部转移到薄壁组织通过胞间连丝共质体途径进入胚珠突 起 和 胚 珠 表 皮、和 蛋白介导蔗糖从维管束薄壁组织进入质外体或从胚珠突起和胚珠表皮进入质外体随后这 个蛋白质将蔗糖运输到糊粉层和胚乳促进水稻颖果胚乳的形成完成灌浆 基因可以弥补 突 变 体 的 缺 陷 蛋 白 与 蛋 白 协 同 作 用 于 水 稻 籽 粒 灌 浆 和 蛋白是水稻籽粒填充的核心成员大豆种子主要由成熟胚组成为人类和其他动物所需蛋白质和油脂的主要来源 植物种子发育早期对于种子数量和大小以及潜在产能具有重要影响在发育早期微小的胚胎迅速生长并从发育种子的液体胚乳中获得大量的糖 子叶期胚乳分解为发育中的 胚 胎 提 供 糖 这 对 种 子 成 熟 至 关 重 要 和 基因在大豆发育种子子叶期的胚乳中特异性高表达 突变体植株种子在球形胚、心形胚和子叶胚发育过程中胚发育和胚乳降解大幅度延迟并且 的种子败育种子成熟延迟 而与野生型植株相比过量表达 基 因 的 种 子 败 育 率 没 有 差 异 突变体植株与野生型植株的互交实验结果表明:仅()()杂交结籽率显著降低说明 突变体植株种子败育与受精卵中 的等位基因有关 突变体植株种子、胚、种皮和胚乳中的蔗糖和葡萄糖含量显著降低而在胚发育过程中糖供给不足是 突变体植株种子败育的主要原因增加驱动光合作用的蔗糖的供给可以部分恢复 突变体植株的种子败育缺陷 葡萄糖含量降低可能激发细胞程序性死亡抑制细胞分裂而细胞程序性死亡与高的种子败育率有关 上述研究结果表明质膜糖转运蛋白 在大豆胚胎发育中起着至关重要的作用在 大 豆 种 子 发 育 过 程 中 和 基因主要在种皮薄壁组织中表达与野生型植株相比较 和 敲除突变体植株种子大小和油脂含量降低蛋白质含量升高而 和 基因过量表达植株种子大小和油脂含量显著升高蛋白质含量降低/双突变体植株种子更小油脂含量更低蛋白质含量更高/双突变体植株种胚中蔗糖、葡萄糖和果糖的含量显著降低种皮中蔗糖含量(花后 )和己糖含量(花后)显著高于野生型植株说明/双突变体 植 株 中 糖 从 种 皮 向 胚 转 运 的 功 能 缺 陷 和 蛋白决定种皮和胚之间糖的分配 在种子快速生长阶段种皮和胚中的蔗糖含量较高跨越种皮的蔗糖对于满足快速生长的种子对碳源日益增长的需求尤为重要 糖分配影响胚发育调控脂肪酸和蛋白质生物合成 在大豆驯化过程中 基因的选择将更多的糖从种皮运输到胚促进胚细胞分裂和扩展增加油脂生物合成从而增加了油脂含量以及种子大小由于蛋白质生物合成依赖氮和碳的利 用 效 率 或 蛋白的糖转运活性增加导致蛋白质含量降低说明 和 蛋白通过转运蔗糖、葡萄糖和果糖决定种子油脂和蛋白质含量控制种子大小大豆经过驯化改良其种子中油脂含量增加 大豆群体遗传连锁分析结果显示:号染色体 区域存在显著调控蛋白质和油脂含量的数量性状位点()蛋白控制大豆种子油脂含量()基因在花芽和发育的种子中显著表达在球形胚阶段开始积累成熟阶段早期达到最高随后降低后成熟阶段和干种子阶段没有表达 基因在种皮薄壁组织中大量表达这对于从种皮卸载光合作用同化物及激发种子储藏启动至关重要 蛋白将种皮薄壁组织中卸载的蔗糖转运到胚增加胚中蔗糖含量进而加强蔗糖驱动的脂肪酸生物合成.在果实中的功能作用果实中糖含量决定其品质和市场价值 苹果(.)基因组中有 个 基因其中 个在果实发育过程中高表达、和 基因与果实中糖积累第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展有关 和 基因是不同品种间糖含量表型变异的主要贡献者 和 基 因 在 凤 梨 (.).果实发育过程中显著表达 枇杷 (.).基因高表达与高糖含量相关 葡萄(.)基因在果实成熟时极显著表达在葡萄和番茄中过量表达 基因可以显著增加果实中葡萄糖、果糖和总糖的含量番茄 基因在果实中的表达量显著高于营养器官而 敲除突变体植株的果实大小和质量显著降低种子填充和胚发育存在严重缺陷 蛋白在微管组织和种皮中表达微管组织和种皮是果实中蔗糖卸载的主要部位在果实发育过程中 蛋白介导蔗糖流从韧皮部释放细胞进入质外体随后输入薄壁组织 且 蛋白介导的蔗糖流对于从种皮到发育胚的蔗糖卸载是必须的说明 蛋白从番茄韧皮部和种皮卸载蔗糖为果实和种子发育提供养分 番 茄 质 膜 转 运 蛋 白和 转运葡萄糖、果糖和蔗糖主要在绿熟期的花梗、维管束和种子中表达 而 或 基因沉默后果实中糖含量升高植株高度增加果实增大 在番茄果实的胎座韧皮部薄壁组织中蔗糖通过质外体途径卸载位于胎座和种子交界的韧皮部薄壁组织可能是蔗糖质外体卸载的部位 液泡转化酶与糖信号、细胞壁相关激酶和植物激素交叉作用促进细胞扩张 基因沉默促进己糖积累和液泡转化酶的表达改变糖信号可以促 进 细 胞 扩 张 生 产 较 大 的 果 实 西 瓜 (.).果实发育过程中 基因在储存细胞中表达量最高且表达量与糖含量显著相关该基因过量表达导致糖含量升高而该基因缺失导致糖含量降低黄 瓜(.)己 糖 转 运 蛋 白 在库组织中高表达位于韧皮部伴侣细胞的质膜上随着果实发育表达量逐渐增加过量表达该基因果实大小以及葡萄糖和果糖含量增加而 植株表现出相反的表型 在黄瓜果实中 蛋白在韧皮部将伴侣细胞中的己糖转运到质外体激发棉子糖家族的低聚糖代谢促进果实生长发育 总结和展望随着物种的进化演变多倍体化使基因家族成员得到了扩张、和 基因是作物驯化改良选择的关键基因 蛋白调控植物生长发育不同生理过程尤其是源库关系 例如:和 蛋白参与根系发育提高氮的利用效率拟南芥 和 蛋白以及水稻 和 蛋白参与花药发育 蛋白参与花蜜分泌 拟 南 芥、和 蛋白以及水稻、和 蛋 白 控 制 种 子 填 充 和 蛋白控制大豆油脂和蛋白质含量 这些结果表明 蛋白参与光合作用同化物分配控制作物产量 基因工程是增加源库强度、提高作物产量的有效策略在不同的植物生长发育中 蛋白发挥的功能不同例如:拟南芥 蛋白在花药发育早期发挥作用 和 蛋白在花药发 育 后 期 发 挥 作 用 而 水 稻 和 蛋白共同调控花药发育 值得注意的是部分 基因过量表达植株和敲除突变体植株表型相同发芽延迟和生长发育延缓产量下降韧皮部装载受损如水稻、和 基 因 拟 南 芥 和 基因马铃薯 基因 然而 蛋白调控光合产物分配在不同物种间存在差异其作用机制仍然不清楚关于 蛋白建议重点进行以下研究:)利用现代基因组测序技术结合多组学技术进行全基因组关联研究()和 定 位 鉴 定 候 选 基因控制源库组织中糖类分配的性状揭示 蛋白在植物驯化改良过程中的作用)从更多的物种中鉴定 蛋白挖掘 蛋白新成员及其独特的功能作用如 蛋白具有独特的蜜腺分泌功能)通过物种间 蛋白的比较揭示物种的起源和进化关系)通过调控 蛋白韧皮部装载功能提高其源到库的转运效率)通过研究 蛋白韧皮部卸载的质外体途径调控种子和果实中糖含量促进提质增效)通过研植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷究根系中 蛋白对液泡中糖的调控机制促进根系发育尤其是在无性繁殖植物中的应用参考文献:.():.:.:.:.():.:.:.():.:.():.():.():.(/):.:.():.():.:.():.():.:./.():./.():.(.).():.:./:.():.():.:.():.():.:.():.第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展 .():.():.:.():.():.():.():.():.(.).():.():.():.():.():.():.():.():.:.():./.():.:.():.():.:.():.():.():.():.:.():.():.():.:.():.植 物 资 源 与 环 境 学 报第 卷:.():.:./.():.():.():.():.(/):.():.:.():.():.():.():.:.:.():.():.():./.():.():.():.:.():.:.():.():.()():.():.():.:.():第 期张计育 等:蛋白在植物生长发育中的功能作用研究进展.():.():.:.:.():.(.):.():.():.:.(.).:.():.():.:.():.():.():.():.():.():.():.():.():.:.():.():.():.():.():.(责任编辑:张明霞)