光合同化物运输

光合同化物韧皮部运输摘要：近年来研究表明,植物体内光合同化物的韧皮部装载和卸出均有共质体途径和质外体途径，本文介绍近年来光合同化物在库器官中的卸载途径、卸载机制、装载机制以及韧皮部卸出的研究进展，并简略讨论了该领域研究所面临的问题。关键词：光合同化物；韧皮部；卸出；装载ThePhloemTransportofPhotoassimilatesAbstract：Theresearchofrecentyearsshowsthatphloemloadingandunloadingofplantphotomapsimilatebothhavesymplasmicandapoplasmicpathways.Thispaperintroducesprogressinresearchofthephloemunloadingandloadongpathwayandmechanismsofphotoassimilatesinsinkorgans.Andalsohaveabriefdiscussionaboutproblemsoftheresearchinthisfield.Keywords:photomapsimilate;phloem;loading;unloading光合同化物的运输和分配是决定作物产量和品质的重要因素，因而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、细胞生物学研究的焦点。但由于库器官中维管束深埋在组织内部，二者在结构上很难分离，加上筛分子卸载与韧皮部后运输途径又难以区分等原因［1］，所以韧皮部卸载机制的研究受到很大的限制。近年来，随着生物学的发展和一些先进研究技术的发明、应用，细胞间物质运输的研究已经从细胞、亚细胞水平进入分子水平，同化物韧皮部卸载机制的研究取得了较大进展。本文对近几年来韧皮部卸载途径、机制研究进展作一概述。1同化物韧皮部卸载途径韧皮部卸载(phloemunloading)指已被装进韧皮部的同化物进入生长或贮藏组织的过程，包括同化物从SE-CC复合体卸出的筛分子卸载(sieveelement)和韧皮部后运输(post-phloemtransport)两个密切相联的过程口〕。1.1筛分子卸载同化物在韧皮部中进行长距离运输后可通过质外体或共质体途径从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的过程；共质体卸载则是指同化物通过胞间连丝从SE-CC复合体进入维管束薄壁细胞的过程。这两个途径可单独起作用，也可同时存在。在许多库器官中，SE-CC复合体和韧皮薄壁细胞之间存在大量胞间连丝，同化物主要以共质体方式卸出。例如，在玉米根中，尽管存在着结合在细胞壁上的酸性转化酶，但由于韧皮部输导细胞和邻近细胞之间存在大量胞间连丝，因而蔗糖并不水解而是直接经共质体途径卸出。Schmalstig和Geiger⑶将外源对氯高汞苯磺酸(parachloeomer-curibenzenesulphonicacid,PCMBS)引入生长中的甜菜叶质外体后发现，同化物的输入并没有受影响，显示同化物从韧皮部的卸出并没有经历跨膜运输；超微结构和生理上的证据表明，马铃薯块茎筛分子和贮藏薄壁细胞间完全遵循着一个共质体途径［4］。这些结果表明同化物在库端的卸出可是从韧皮部输导组织到邻近细胞的被动共质运转。质外体卸载途径在一些茎组织中普遍存在。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的细胞质中，最后在液泡中合成蔗糖。筛分子的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。卸载途径同库器官功能是一个统一的整体，伴随库功能转换，卸载途径会发生改变。在一些果实库器官如马铃薯和番茄［5］中，这两种卸载途径同时存在就是证明。1.2韧皮部后运输途径筛分子后运输涉及细胞间的转运，是紧随筛分子卸载的一个运输事件，但二者是截然不同的两个过程。SE-CC复合体和其周围薄壁细胞的交接面结构往往不同于韧皮部后运输途径中细胞交接面的结构，并且SE-CC复合体具有较高的渗透压和膨压，因而转运的驱动力和控制机制可能不同。目前，已鉴别出3个可能的韧皮部后运输细胞通道：质外的、共质的以及涉及质外体步骤的共质通道［6，］但这种分类只是反映了细胞运输途径的静态观点。事实上，同化物的韧皮部后运输可能在共质体和质外体途径上相互转变。筛分子卸载和韧皮部后运输细胞途径随着库类型及库发育阶段而复杂多变，这在一定程度上既反映了库解剖结构的多样性，又体现了输途径和库功能的高度统一。2韧皮部卸载机制韧皮部装载(phloemloading):指同化物从合成部位通过共质体或质外体的胞间运输进入筛管的过程。不同卸载途径存在不同的运输机制。各种类型的库器官通过相应的运输机制实现同化物的不断卸出、短距离运输、最终被库细胞吸收等过程。整个途径由三个区域组成，即光合同化物生产区、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的磷酸丙糖通过叶绿体膜上的磷酸转运器(Pi2translocator,PT)进入细胞质，在一系列酶作用下合成蔗糖，并通过胞间运输进入累积区。累积区主要由小叶脉末端的韧皮部的薄壁细胞组成，而输出区则主要是指叶脉中的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的连续体系。装载途径：同化物从周围的叶肉细胞转运进韧皮部SE-CC复合体的过程中存在两种装载途径——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（symplasticphloemloading）途径是指光合细胞输出的蔗糖通过胞间连丝顺蔗糖浓度梯度进入伴胞或中间细胞，最后进入筛管的过程（如图1）。支持共质体装载途径的实验证据有：①许多植物叶片SE-CC复合体和周围薄壁细胞间存在紧密的胞间连丝连接②一些植物同化物的韧皮部装载对PCMBS不敏感③将不能透过膜的染料如荧光黄CH（LuciferyellowCH）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。則热皿扰被挣込蛤览石噸闊刑惡厲刖帕*齐佯也嘗咆£连纯L应叢轨則热皿扰被挣込蛤览石噸闊刑惡厲刖帕*齐佯也嘗咆£连纯L应叢轨J「•图1源叶中韧皮部装载途径示意图另外，一些植物同化物的韧皮部装载既可以通过质外体途径，也可以通过共质体途径。如西葫芦,其叶片支脉的伴胞既有普通型的，也有属于中间细胞的，推测前者装载蔗糖是通过质外体途径，而后者则是通过共质体途径。总之，这两种途径的相对比例因植物种类而异，且随叶片的发育阶段、昼夜和季节的变化以及生态条件的变化而变化。共质体卸载途径是阻力最小的通道，既可避免跨膜运输对能量的依赖，具有比跨膜运输更大的转运潜力，又利于水分运输，消除水分对筛分子中溶液的稀释[6]。在共质连续体中，溶质通过胞间连丝顺着筛管和库细胞的浓度梯度移动，该浓度梯度是通过聚合形式（贮存库）或通过将同化物用于生长（利用库）来维持的。通过胞间连丝的共质体运输是一个被动扩散过程。共质体内的不平衡状态是物质在共质体内运输的推动力。胞间连丝不仅是细胞间共质体运输通道，而且对物质运输具有一定的调控作用。一般说来，决定共质体转运扩散的重要因子是细胞大小、胞间连丝频率以及胞间连丝通道的数量和大小等。其中，胞间连丝通道大小是决定细胞间通透性的重要因子，而且还可作为估算共质体运输能力的定量指标。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。共质体运输可通过扩大胞间连丝的通透性大小极限(SEL)来提高胞间连丝的运输能力。伴随胞间连丝运输特性变化,共质体运输的调节最终由库器官的代谢和区隔化决定。认为库细胞原生质进行糖的各种代谢影响同化物的卸出,蔗糖合成酶对于以积累淀粉为主的贮藏库的库强起着重要作用。因而,在韧皮部共质体卸载库中,通过同化物不断代谢转化或区隔化作用形成的浓度梯度来维持扩散驱动力［7］。质外体卸载机制质外体装载(apoplasmicphloemloading)是指光合细胞输出的蔗糖进入质外体,然后通过位于SE-CC复合体质膜上的蔗糖载体逆浓度梯度进入伴胞,最后进入筛管的过程。跨膜质子梯度是由ATPase水解ATP移动H+所形成的。质外体步骤介入的韧皮部卸载涉及到同化物的跨膜运输,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一方面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；另一方面也可由蔗糖载体介导直接吸收进库细胞。支持质外体装载的实验证据主要来自以下几方面：①许多植物(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的渗透梯度,SE-CC内的蔗糖浓度可高达800〜1000mmol•L-1,而叶肉细胞的蔗糖浓度只有50mmol•L—1左右③用14C标记的大豆叶片，质外体中存在高浓度的14C蔗糖。质外体中蔗糖含量占细胞总蔗糖含量的7%④用14C蔗糖和14C葡萄糖进行的放射性自显影研究表明，SE-CC复合体可以直接吸收蔗糖，但不吸收葡萄糖等非运输形式的糖分子⑤代谢抑制剂如DNP及厌氧处理会抑制SE-CC复合体对蔗糖的吸收，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-mercuribenzenesulfonate)处理14CO2标记的叶片，然后进行放射性自显影，发现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通过质外体途径进行。装载机理由于韧皮部装载有多种模式，因此相应的装载机理也不同。3.3.1共质体装载机理在进行共质体装载的植物中，筛管中糖的主要运输形式是寡聚糖(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观点的主要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。目前虽然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的机理。第一种假说称为多聚化截留机理(polymerizationtrapmechanism)o该假说认为，叶肉细胞内形成的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，由于这些寡聚糖分子的直径超过了连接叶肉细胞和中间细胞间的胞间连丝横断面的直径，从而阻止了糖向叶肉细胞的倒流(reverse2flow),而中间细胞与筛分子间的有分支胞间连丝的直径足以让这些糖分子通过而进入筛管［10］。支持该假说的实验证据有：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的存在，在叶脉中检测到大量寡聚糖的存在。第二种假说称为内质网络运输机理(endoplasmicnetworktransportmechanism),该假说认为，寡聚糖主要是在叶肉细胞内形成的，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的液泡-维管状网络结构内，然后通过扩散作用进入筛管分子。轉北09轉北09議毗叶肉捆齬逹蓦整畑話图2蔗糖从叶肉细胞向筛管的质外体装载在叶肉细胞质合成的蔗糖，经质膜上的载体进入质外体，运至伴胞(转移细胞)，质膜外的质子2蔗糖共运输蛋白在H+梯度的驱动下，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+梯度的建立，依赖ATPase分解ATP的反应，而ATP来自蔗糖分解后的氧化磷酸化。3.3.2质外体装载机理质外体装载过程包括以下三个阶段。同化物从光合细胞向质外体的释放参与释放过程的细胞内同化物库的大小是决定同化物从光合细胞向质外体释放能力的一个主要因素。并不是所有光合细胞都参与同化物的释放过程，而只有那些临近SE-CC复合体的光合细胞才能直接参与该过程。因此，大部分光合细胞形成的光合同化物首先经胞间连丝进入这些特化细胞，然后再通过这些细胞释放到质外体中。同化物在质外体的去向20世纪80年代以前，一般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，以后许多实验结果表明，蔗糖进入质外体后并不发生进一步的代谢或修饰，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的存在［11,12］。(3)同化物进入SE-CC复合体蔗糖装载是通过SE-CC复合体的伴胞进行的，蔗糖进入伴胞是通过位于质膜上的蔗糖2质子共运输蛋白(sucrose2H+symporter),它运输蔗糖时与质子传递相偶联。ATP在质膜ATPase作用下产生跨膜的质子梯度，由跨膜的质子梯度驱动蔗糖的跨膜运输(图2)。蔗糖和质子共运输的化学准量关系(stoichemistry)随蔗糖浓度的变化而变化，一般在蔗糖浓度低于5mmol•L-i时，每吸收2mol蔗糖偶联吸收1molH+(即2:1),但当蔗糖浓度在5〜15mmol・L-1之间时，蔗糖和质子偶联共运输的化学准量关系为6:1。蔗糖是中性分子，蔗糖和质子的偶联共运输将引起膜势的去极化(depolarization),但去极化作用只是瞬间的，因为在ATPase作用下质子将以更高的速度从伴胞泵出，从而补偿了于质子与蔗糖的共运输而引起的质外体内质子浓度的降低。一些证据支持质子与蔗糖的共运输的假说，如韧皮部汁液的pH比质外体中高，韧皮部汁液中含有ATP,以及SE-CC复合体的质膜常保持负的膜电势。4韧皮部卸出韧皮部卸出(phloemunloading)：指光合同化物从SE-CC复合体进入库细胞的过程。□呼吸J□□□□C筛借分子质夕卜体库细胞胸间连丝果糖蔗糖合成生畏□呼吸J□□□□C筛借分子质夕卜体库细胞胸间连丝果糖蔗糖合成生畏□□□弼板图3由韧皮部向库细胞卸出同化物的途径①共质体卸出；②③质外体卸出

两条途径：质外体卸出和共质体卸出。4.1共质体卸出一般来说，正在生长发育的叶片和根系，同化物是经共质体途径卸出的，即蔗糖通过胞间连丝沿蔗糖浓度梯度从SE-CC复合体释放到库细胞的代谢部位(图3①)。支持这一观点的实验证据主要有：⑴膜不通透染料的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途径，证明CF是通过胞间连丝运输的。14C同位素示踪研究同化物经共质体途径卸出最直接的证据是运用14C蔗糖进行的研究Ml。在14C蔗糖从韧皮部卸出的过程中，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途径。溶质跨膜运输抑制剂的应用运用蔗糖跨膜运输抑制剂PCMBS发现，PCMBS并不抑制蔗糖的韧皮部卸出，这说明蔗糖的韧皮部卸出是通过共质体途径进行。4.2质外体卸出某些植物或组织(如甜菜的块根、甘蔗的茎及种子和果实等)，其韧皮部卸出是通过质外体途径进行的。这些植物组织的SE-CC复合体与库细胞间通常不存在胞间连丝，所以SE-CC复合体中的蔗糖只能通过扩散作用或通过膜上的载体先进入质外体空间，然后直接进入库细胞，或降解成单糖后再进入库细胞。根据蔗糖进入质外体后的命运，又可将同化物韧皮部卸出的质外体途径分成两条子途径：子途径一是SE-CC复合体中的蔗糖通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，因此，不涉及需要能量活化的载体的参与。但是，保持扩散作用不断进行需要膜两侧维持足够高的蔗糖浓度梯度，这不仅要求光合细胞具有高的光合速率，而且要求进入质外体空间内的蔗糖不断地被移走(即或被降解或被其他细胞吸收)。许多证据表明，细胞壁转化酶(invertase)是催化质外体空间内蔗糖降解的主要酶，而水解形成的葡萄糖和果糖就可被库细胞主动吸收。在玉米、高粱、粟等植物的种子内，同化物的韧皮部卸出是通过这条途径进行的［14］。子途径二是SE-CC复合体内的蔗糖释放到质外体空间并由位于膜上的载体介导。该途径会受低温、代谢抑制剂和PCMBS的抑制，这表明蔗糖通过这条途径卸出需要有能量供应。这条途径在豆科类植物种子中普遍存在。5结束语目前对于韧皮部卸载的研究主要集中在共质体和质外体途径的区分以及质外体途径介入的部位。尽管对于库组织中筛分子卸载及韧皮部后运输的研究在技术上有难度，但仍取得了一定的进展。荧光标记技术，尤其是羧基荧光素酯的应用，大大简化了韧皮部卸载和韧皮部后运输的检测；结合GFP(绿色荧光蛋白)和激光共聚焦扫描显微技术，在一些模式植物的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，这些技术的成功应用对于非模式植物的同化物卸载研究可能有借鉴或启示作用。最近的研究结果发现，筛管中存在的韧皮部特异蛋白(P-蛋白质)可以封闭受伤的筛分子[15]，并且在韧皮部长距离转运的信号系统中起作用，但它是否在库组织中的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的影响机制是什么？特定的韧皮部蛋白是否负责RNA在韧皮部中的装载或卸出？这些都有待于深入探讨。另外，已有的研究表明，胞间连丝可通过改变SEL值适应同化物的大量流入，但现有的技术还不足以定量调控胞间连丝的转运，如库组织中韧皮部后运输转运的SEL究竟有多大，需进一步研究。参考文献：OparkaKJWhatisphloemunloading?1990PatrickJWPhloemunloading:sieveelementunloadingandpost-sieveelementtransport1997SchmalstigJG.GeigerDRPhloemunloadingindevelopingleavesofsugarbeet.Evidenceforpathwaythroughthesymplast1985GiaquintaRT.LinW.SadlerNLPathwayofphl