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光协议化物韧皮部运输
摘 要: 多年来研究表明, 植物体内光协议化物韧皮部装载和卸出都有共质体路径和质外体路径, 本文介绍多年来光协议化物在库器官中卸载路径、 卸载机制、 装载机制以及韧皮部卸出研究进展, 并简略讨论了该领域研究所面临问题。
关键词: 光协议化物; 韧皮部; 卸出; 装载
The Phloem Transport of Photoassimilates
Abstract: The research of recent years shows that phloem loading and unloading of plant photomapsimilate both have symplasmic and apoplasmic pathways.This paper introduces progress in research of the phloem unloading and loadong pathway and mechanisms of photoassimilates in sink organs.And also have a brief discussion about problems of the research in this field.
Keywords: photomapsimilate;phloem;loading;unloading
光协议化物运输和分配是决定作物产量和品质关键原因, 所以同化物从筛分子卸出和韧皮部后运输过程, 一直是植物生理学、 细胞生物学研究焦点。但因为库器官中维管束深埋在组织内部, 二者在结构上极难分离, 加上筛分子卸载与韧皮部后运输路径又难以区分等原因［1］, 所以韧皮部卸载机制研究受到很大限制。多年来, 伴随生物学发展和部分优异研究技术发明、 应用, 细胞间物质运输研究已经从细胞、 亚细胞水平进入分子水平, 同化物韧皮部卸载机制研究取得了较大进展。本文对近几年来韧皮部卸载路径、 机制研究进展作一概述。
1 同化物韧皮部卸载路径
韧皮部卸载（phloem unloading）指已被装进韧皮部同化物进入生长或贮藏组织过程, 包含同化物从SE-CC复合体卸出筛分子卸载（sieve element）和韧皮部后运输（post-phloem transport）两个亲密相联过程［2］。
1.1 筛分子卸载
同化物在韧皮部中进行长距离运输后可经过质外体或共质体路径从SE-CC复合体卸出。质外体卸载是指同化物跨过筛分子质膜进入质外体过程; 共质体卸载则是指同化物经过胞间连丝从SE-CC复合体进入维管束薄壁细胞过程。这两个路径可单独起作用, 也可同时存在。
在很多库器官中, SE-CC复合体和韧皮薄壁细胞之间存在大量胞间连丝, 同化物关键以共质体方法卸出。比如, 在玉米根中, 尽管存在着结合在细胞壁上酸性转化酶, 但因为韧皮部输导细胞和邻近细胞之间存在大量胞间连丝, 所以蔗糖并不水解而是直接经共质体路径卸出。Schmalstig和Geiger[3]将外源对氯高汞苯磺酸（parachloeomer-curibenzene sulphonic acid,PCMBS）引入生长中甜菜叶质外体后发觉, 同化物输入并没有受影响, 显示同化物从韧皮部卸出并没有经历跨膜运输; 超微结构和生理上证据表明, 马铃薯块茎筛分子和贮藏薄壁细胞间完全遵照着一个共质体路径[4]。这些结果表明同化物在库端卸出可是从韧皮部输导组织到邻近细胞被动共质运转。
质外体卸载路径在部分茎组织中普遍存在。在甘蔗茎中, 蔗糖从筛管经伴胞释出, 进入细胞壁质外体, 被酸性转化酶水解成己糖, 积累在贮藏薄壁细胞细胞质中, 最终在液泡中合成蔗糖。
筛分子共质体卸出和质外体卸出并非相互排斥, 而是在一定生理状态下相互补充协调。卸载路径同库器官功效是一个统一整体, 伴随库功效转换, 卸载路径会发生改变。在部分果实库器官如马铃薯和番茄[5]中, 这两种卸载路径同时存在就是证实。
1.2 韧皮部后运输路径
筛分子后运输包含细胞间转运, 是紧随筛分子卸载一个运输事件, 但二者是截然不一样两个过程。SE-CC复合体和其周围薄壁细胞交接面结构往往不一样于韧皮部后运输路径中细胞交接面结构, 而且SE-CC复合体含有较高渗透压和膨压, 所以转运驱动力和控制机制可能不一样。
现在, 已判别出3个可能韧皮部后运输细胞通道: 质外、 共质以及包含质外体步骤共质通道[6], 但这种分类只是反应了细胞运输路径静态见解。实际上, 同化物韧皮部后运输可能在共质体和质外体路径上相互转变。筛分子卸载和韧皮部后运输细胞路径伴随库类型及库发育阶段而复杂多变, 这在一定程度上既反应了库解剖结构多样性, 又表现了输路径和库功效高度统一。
2 韧皮部卸载机制
韧皮部装载（phloem loading）: 指同化物从合成部位经过共质体或质外体胞间运输进入筛管过程。不一样卸载路径存在不一样运输机制。多种类型库器官经过对应运输机制实现同化物不停卸出、 短距离运输、 最终被库细胞吸收等过程。
整个路径由三个区域组成, 即光协议化物生产区、 累积区和输出区。
同化物生产区为叶肉细胞（C4 植物还会含维管束鞘细胞）。叶绿体进行光合作用形成磷酸丙糖经过叶绿体膜上磷酸转运器(Pi 2 translocator, PT)进入细胞质, 在一系列酶作用下合成蔗糖, 并经过胞间运输进入累积区。累积区关键由小叶脉末端韧皮部薄壁细胞组成, 而输出区则关键是指叶脉中SE-CC。从对整个叶片而言, 同化物累积区和输出区是一个难以分割连续体系。
装载路径: 同化物从周围叶肉细胞转运进韧 皮部SE-CC 复合体过程中存在两种装载路径——质外体装载和共质体装载。
2.1共质体卸载机制
共质体装载（symplastic phloem loading）路径是指光合细胞输出蔗糖经过胞间连丝顺蔗糖浓度梯度进入伴胞或中间细胞, 最终进入筛管过程（如图1）。支持共质体装载路径试验证据有: ①很多植物叶片SE-CC 复合体和周围薄壁细胞间存在紧密胞间连丝连接 ②部分植物同化物韧皮部装载对PCMBS 不敏感 ③将不能透过膜染料如荧光黄CH(Lucifer yellow CH）注入叶肉细胞, 一段时间后可检测到筛管分子中存在这些染料。

图1 源叶中韧皮部装载路径示意图

另外, 部分植物同化物韧皮部装载既能够经过质外体路径, 也能够经过共质体路径。如西葫芦, 其叶片支脉伴胞现有一般型, 也有属于中间细胞, 推测前者装载蔗糖是经过质外体路径, 以后者则是经过共质体路径。总而言之, 这两种路径相对百分比因植物种类而异, 且随叶片发育阶段、 昼夜和季节改变以及生态条件改变而改变。
共质体卸载路径是阻力最小通道, 既可避免跨膜运输对能量依靠, 含有比跨膜运输更大转运潜力, 又利于水分运输, 消除水分对筛分子中溶液稀释[6]。在共质连续体中, 溶质经过胞间连丝顺着筛管和库细胞浓度梯度移动, 该浓度梯度是经过聚合形式（ 贮存库）或经过将同化物用于生长（利用库）来维持。经过胞间连丝共质体运输是一个被动扩散过程。共质体内不平衡状态是物质在共质体内运输推进力。
胞间连丝不仅是细胞间共质体运输通道, 而且对物质运输含有一定调控作用。通常说来, 决定共质体转运扩散关键因子是细胞大小、 胞间连丝频率以及胞间连丝通道数量和大小等。其中, 胞间连丝通道大小是决定细胞间通透性关键因子, 而且还可作为估算共质体运输能力定量指标。正常植物细胞间胞间连丝通透性大小极限为800～1000, 通道孔隙直径为3nm。
共质体运输可经过扩大胞间连丝通透性大小极限（SEL）来提升胞间连丝运输能力。伴随胞间连丝运输特征改变, 共质体运输调整最终由库器官代谢和区隔化决定。认为库细胞原生质进行糖多种代谢影响同化物卸出, 蔗糖合成酶对于以积累淀粉为主贮藏库库强起着关键作用。所以, 在韧皮部共质体卸载库中, 经过同化物不停代谢转化或区隔化作用形成浓度梯度来维持扩散驱动力[7]。
2.2质外体卸载机制
质外体装载 (apoplasmic phloem loading)是指光合细胞输出蔗糖进入质外体, 然后经过位于SE-CC 复合体质膜上蔗糖载体逆浓度梯度进入伴胞, 最终进入筛管过程。跨膜质子梯度是由ATPase 水解ATP 移动H+所形成。
质外体步骤介入韧皮部卸载包含到同化物跨膜运输, 该过程需要载体介导并伴随能量代谢[8,9]。在质外体卸载中, 蔗糖由载体介导跨膜卸出到质外空间, 首先可被酸性转化酶分解为葡萄糖和己糖, 然后由己糖载体吸收进入库细胞; 其次也可由蔗糖载体介导直接吸收进库细胞。
支持质外体装载试验证据关键来自以下几方面:
①很多植物（如大豆, 玉米）小叶脉SE-CC 复合体与周围薄壁细胞间无胞间连丝连接 ②在SE-CC 复合体介面上存在大渗透梯度, SE-CC 内蔗糖浓度可高达800～1 000mmol·L-1, 而叶肉细胞蔗糖浓度只有50mmol·L－１左右 ③用14C标识大豆叶片, 质外体中存在高浓度14C蔗糖。质外体中蔗糖含量占细胞总蔗糖含量7% ④用14C蔗糖和14C 葡萄糖进行放射性自显影研究表明, SE-CC 复合体能够直接吸收蔗糖, 但不吸收葡萄糖等非运输形式糖分子 ⑤代谢抑制剂如DNP 及厌氧处理会抑制SE-CC 复合体对蔗糖吸收, 这表明质外体装载是一个主动过程 ⑥用质外体运输抑制剂对氯汞苯磺酸（parachloro-mercuribenzene sulfonate ）处理14C O2标识叶片, 然后进行放射性自显影, 发觉SE-CC 复合体中几乎无14C 蔗糖存在。这些结果都直接或间接地说明韧皮部装载可经过质外体路径进行。
3.3 装载机理
因为韧皮部装载有多个模式, 所以对应装载机理也不一样。
3.3.1 共质体装载机理
在进行共质体装载植物中, 筛管中糖关键运输形式是寡聚糖（棉子糖、 水苏糖、 毛蕊花糖等）和蔗糖。早期对同化物共质体装载持反对见解关键理由是这种装载模式违反了热力学规律, 即SE-CC 复合体逆浓度梯度积累糖类。现在即使对共质体装载机理仍争论不休, 但有两种假说可部分解释这种逆浓度梯度积累糖类机理。第一个假说称为多聚化截留机理(polymerization trap mechanism)。该假说认为, 叶肉细胞内形成蔗糖和肌醇半露糖苷顺着其浓度梯度扩散进入中间细胞, 在那里合成棉子糖或水苏糖或毛蕊花糖, 因为这些寡聚糖分子直径超出了连接叶肉细胞和中间细胞间胞间连丝横断面直径, 从而阻止了糖向叶肉细胞倒流（reverse 2 flow）, 而中间细胞与筛分子间有分支胞间连丝直径足以让这些糖分子经过而进入筛管［10］。支持该假说试验证据有: 以南瓜为材料, 在其叶片中检测到棉子糖-6-半露糖苷转移酶（也称水苏糖合成酶）, 在中间细胞中检测到寡聚糖存在, 在叶脉中检测到大量寡聚糖存在。第二种假说称为内质网络运输机理(endoplasmic network transport mechanism),该假说认为, 寡聚糖关键是在叶肉细胞内形成, 并在那儿被装载到横__穿连接叶肉细胞和中间细胞胞间连丝液泡-维管状网络结构内, 然后经过扩散作用进入筛管分子。

图2 蔗糖从叶肉细胞向筛管质外体装载
在叶肉细胞质合成蔗糖, 经质膜上载体进入质外体, 运至伴胞(转移细胞), 质膜外质子2 蔗糖共运输蛋白在H+梯度驱动下, 进入伴胞(或转移细胞), 然后经胞间连丝进入筛管。伴胞(或转移细胞)质膜外H+梯度建立, 依靠ATPase 分解ATP 反应, 而 ATP 来自蔗糖分解后氧化磷酸化。
3.3.2 质外体装载机理
质外体装载过程包含以下三个阶段。
(1)同化物从光合细胞向质外体释放 参与释放过程细胞内同化物库大小是决定同化物从光合细胞向质外体释放能力一个关键原因。并不是全部光合细胞都参与同化物释放过程, 而只有那些临近SE-CC 复合体光合细胞才能直接参与该过程。所以, 大部分光合细胞形成光协议化物首先经胞间连丝进入这些特化细胞, 然后再经过这些细胞释放到质外体中。
(2)同化物在质外体去向 20 世纪80 年代以前, 通常认为蔗糖进入质外体后在蔗糖酶作用下先水解形成葡萄糖和果糖, 然后再进入SE-CC 复合体。然而, 以后很多试验结果表明, 蔗糖进入质外体后并不发生深入代谢或修饰, 而是直接以蔗糖分子进入SE-CC 复合体。用14C蔗糖和葡萄糖喂甜菜叶片, 其结果是在筛管中只检测到蔗糖存在[11,12]。
(3) 同化物进入SE-CC 复合体 蔗糖装载是经过SE-CC 复合体伴胞进行, 蔗糖进入伴胞是经过位于质膜上蔗糖2 质子共运输蛋白(sucrose 2 H+ symporter）, 它运输蔗糖时与质子传输相偶联。ATP 在质膜ATPase 作用下产生跨膜质子梯度, 由跨膜质子梯度驱动蔗糖跨膜运输（图2）。蔗糖和质子共运输化学准量关系(stoichemistry)随蔗糖浓度改变而改变, 通常在蔗糖浓度低于5mmol·L-1 时, 每吸收2mol 蔗糖偶联吸收1mol H+ (即2∶1), 但当蔗糖浓度在5～15 mmol·L-1之间时, 蔗糖和质子偶联共运输化学准量关系为6∶1。蔗糖是中性分子, 蔗糖和质子偶联共运输将引发膜势去极化(depolarization), 但去极化作用只是瞬间, 因为在ATPase 作用下质子将以更高速度从伴胞泵出, 从而赔偿了于质子与蔗糖共运输而引发质外体内质子浓度降低。部分证据支持质子与蔗糖共运输假说, 如韧皮部汁液pH 比质外体中高, 韧皮部汁液中含有ATP, 以及SE-CC 复合体质膜常保持负膜电势。
4 韧皮部卸出
韧皮部卸出（phloem unloading）: 指光协议化物从SE-CC 复合体进入库细胞过程。

图3 由韧皮部向库细胞卸出同化物路径①共质体卸出; ②③质外体卸出
两条路径: 质外体卸出和共质体卸出。
4.1共质体卸出
通常来说, 正在生长发育叶片和根系, 同化物是经共质体路径卸出, 即蔗糖经过胞间连丝沿蔗糖浓度梯度从SE-CC 复合体释放到库细胞代谢部位(图3①)。
支持这一见解试验证据关键有:
(1)膜不通透染料卸出研究 用膜不通透染料本carboxyfluorescein (CF)观察拟南芥根尖韧皮部卸出路径, 证实CF 是经过胞间连丝运输。
(2)14C 同位素示踪研究 同化物经共质体路径卸出最直接证据是利用14C蔗糖进行研究[13]。在14C 蔗糖从韧皮部卸出过程中, 没有检测到14C蔗糖进入质外体空间或在胞外降解, 这也有力地支持了共质体卸出这种路径。
(3)溶质跨膜运输抑制剂应用 利用蔗糖跨膜运输抑制剂PCMBS 发觉, PCMBS 并不抑制蔗糖韧皮部卸出, 这说明蔗糖韧皮部卸出是经过共质体路径进行。
4.2质外体卸出
一些植物或组织（如甜菜块根、 甘蔗茎及种子和果实等）, 其韧皮部卸出是经过质外体路径进行。这些植物组织SE-CC 复合体与库细胞间通常不存在胞间连丝, 所以SE-CC 复合体中蔗糖只能经过扩散作用或经过膜上载体优异入质外体空间, 然后直接进入库细胞, 或降解成单糖后再进入库细胞。
依据蔗糖进入质外体后命运, 又可将同化物韧皮部卸出质外体路径分成两条子路径:
子路径一是SE-CC 复合体中蔗糖经过扩散作用跨细胞膜进入质外体空间。因为这一过程对代谢抑制剂和PCMBS 不敏感, 所以, 不包含需要能量活化载体参与。不过, 保持扩散作用不停进行需要膜两侧维持足够高蔗糖浓度梯度, 这不仅要求光合细胞含有高光合速率, 而且要求进入质外体空间内蔗糖不停地被移走（即或被降解或被其她细胞吸收）。很多证据表明, 细胞壁转化酶(invertase)是催化质外体空间内蔗糖降解关键酶, 而水解形成葡萄糖和果糖就可被库细胞主动吸收。在玉米、 高粱、 粟等植物种子内, 同化物韧皮部卸出是经过这条路径进行[14]。
子路径二是SE-CC 复合体内蔗糖释放到质外体空间并由位于膜上载体介导。该路径会受低温、 代谢抑制剂和PCMBS 抑制, 这表明蔗糖经过这条路径卸出需要有能量供给。这条路径在豆科类植物种子中普遍存在。
5 结束语
现在对于韧皮部卸载研究关键集中在共质体和质外体路径区分以及质外体路径介入部位。尽管对于库组织中筛分子卸载及韧皮部后运输研究在技术上有难度, 但仍取得了一定进展。荧光标识技术, 尤其是羧基荧光素酯应用, 大大简化了韧皮部卸载和韧皮部后运输检测; 结合GFP（绿色荧光蛋白）和激光共聚焦扫描显微技术, 在部分模式植物大分子物质细胞间运输以及韧皮部卸载研究中已经取得较大进展, 这些技术成功应用对于非模式植物同化物卸载研究可能有借鉴或启示作用。
最近研究结果发觉, 筛管中存在韧皮部特异蛋白（P-蛋白质）能够封闭受伤筛分子[15], 而且在韧皮部长距离转运信号系统中起作用, 但它是否在库组织中韧皮部后运输细胞中也起作用？它对SE-CC复合体及韧皮薄壁细胞间胞间连丝通透性影响机制是什么？特定韧皮部蛋白是否负责RNA在韧皮部中装载或卸出？这些都有待于深入探讨。另外, 已经有研究表明, 胞间连丝可经过改变SEL值适应同化物大量流入, 但现有技术还不足以定量调控胞间连丝转运, 如库组织中韧皮部后运输转运SEL到底有多大, 需深入研究。
参考文件:
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