蔗糖与甘蔗的生长发育

蔗糖与甘蔗的生长发育

甘蔗生长在亚热带和亚热带地区。这是人类第一种使用csi光谱的高光效植物。蔗糖是甘蔗光合作用的主要产物之一,也是植物体内光合产物运输与分配的主要形式。甘蔗光合作用形成的蔗糖从源到库(消耗或贮存同化物的器官)的运输过程是由多个生化过程和组织结构所控制的一个高度完整的系统。整个运输系统包括蔗糖从光合组织叶肉细胞到韧皮部的运输、蔗糖在韧皮部的装载、筛管中的运输、韧皮部卸载和库器官中蔗糖的吸收、积累等过程(图1)。蔗糖在甘蔗中以一种定向运输和分配的方式调控甘蔗的整个生长和发育进程(包括相关的生理过程、生化代谢途径和基因表达等),同时也决定甘蔗产量和品质。鉴于蔗糖转运及其对甘蔗生理过程影响的重要性,本文就蔗糖在甘蔗体内的转运途径作了介绍。1共质体或质外体装卸韧皮部装载(phloemloading)是指光合同化物从叶肉细胞运出后直至最终进入筛管的整个过程。其又分为共质体和质外体装载2种方式:在装载过程中,如果溶质是通过胞间连丝进入SE-CC复合体,韧皮部装载属于共质体的装载;如果溶质是跨过质膜通过细胞间隙进入SE-CC复合体,韧皮部装载属于质外体装载。而韧皮部不同的装载途径主要取决于不同的组织类型和不同的生长阶段(Lalonde等2003)。1.1施甘蔗的茎节蔗糖在甘蔗叶片光合作用组织叶肉细胞中合成。合成的蔗糖如果是通过胞间连丝从叶肉细胞直接转运到韧皮部传导细胞,就形成了共质体装载,进行长距离和短距离运输(vanBel和Gamalei1992)。Robinson-Beers和Evert(1991a,b)采用透射电子显微镜观察到甘蔗的成熟叶片中有胞间连丝的存在,且不同细胞之间的胞间连丝形状有很大差异;Walsh等(2005)用共质体示踪剂5,6-羧基荧光素(5,6-carboxyfluoresceinCF)喷施甘蔗第4片叶后,在其相应的茎节发现有示踪剂的存在,说明蔗糖可以通过共质体进行装载。Gamalei(2000)、Hoffmann-Thoma等(2001)、Turgeon和Medville(2004)用蔗糖转运蛋白抑制剂PCMBS(对氯高汞苯磺酸)处理植物叶圆片时,PCMBS并不能抑制叶脉处蔗糖的装载,说明蔗糖装载是通过胞间连丝到达SC-CC复合体,未进行跨膜转运,属于共质体装载。蔗糖的共质体装载机制主要有“聚合陷阱”机制(polymerizationtrapmechanism)和“集体流”(massflow)2种学说。Turgeon和Beebe(1991)认为蔗糖是通过“聚合陷阱”机制进行装载:叶肉细胞内形成的蔗糖顺着浓度梯度扩散进人一种特化的伴胞(中间细胞),随之合成棉子糖,最终合成水苏糖或毛蕊花糖。前述合成的寡聚糖分子的直径超过了叶肉细胞和中间细胞间的胞间连丝可运输物质的最大直径,可防止糖向叶肉细胞的倒流,而中间细胞和筛管分子间的分枝胞间连丝直径较大,可以让这些寡聚糖分子通过进人筛管。之后的研究也支持“聚合陷阱”理论(Knop等2001,2004;Turgeon和Medville2004)。但是在甘蔗茎内棉子糖含量与蔗糖的浓度呈正相关,说明在甘蔗中不可能通过“聚合陷阱”机制途径进行装载(Glassop等2007)。Moore(1995)认为甘蔗中应该是通过源器官合成蔗糖,在维管束鞘细胞和韧皮部细胞之间形成净压力,产生集体流使蔗糖通过胞间连丝运输到韧皮部,而甘蔗质外体高浓度的蔗糖减少了筛分子渗透压,从而有利于形成净压力,产生集体流促进蔗糖在筛管中的运输。1.2蔗糖的转运蛋白甘蔗光合组织叶肉细胞中合成的蔗糖也有一部分进入质外体空间,然后通过位于SE-CC复合体质膜上的蔗糖转运蛋白逆浓度梯度进入伴胞细胞最后进入筛管。Gottwald等(2000)发现蔗糖转运蛋白的插入突变体能够引起蔗糖的不正常积累;杨彩菊等(2006)在源端韧皮部细胞膜上也多次定位了可允许蔗糖从细胞外溶液进入细胞内的转运蛋白。蔗糖在质外体韧皮部装载中的途径仍不很清楚,但维管组织被认为是蔗糖最可能的释放位点(Lalonde等2003)。Rae等(2005b)曾从成熟甘蔗的茎中分离得到了一个蔗糖转运蛋白ShSUT1,但它定位在叶片维管束周围的细胞中,其表达量非常强,说明其对蔗糖的装载起作用。2蔗糖在源端运输方面的调节蔗糖在筛管内的运输是通过一种集体流途径进行的,受源库两侧SE-CC内渗透作用所形成的压力梯度所驱动。压力梯度的形成是由源端蔗糖不断向SE-CC复合体进行装载,库端蔗糖不断从SE-CC复合体卸出,以及韧皮部和木质部之间水分的不断再循环所引起的(Vaughn等2002)。因此,只要源端蔗糖的韧皮部装载和库端蔗糖的卸出过程不断进行,源库间就能维持一定的压力梯度,并在压力梯度驱动下蔗糖可源源不断地由源端向库端运输。蔗糖在筛管中运输的调节主要集中在源器官和库器官两端的净压力上。Roitsch和Ehneβ(2000)报道,细胞分裂素能够调节细胞壁转化酶和己糖转运蛋白的表达,并使蔗糖水解加快,同时己糖转运蛋白的增加能够加速单糖的转运,从而使库端的净压力减小,源库间压力梯度增加,最终蔗糖在筛管中的运输速率加快。源端的光合作用也能够正调节库端蔗糖的积累,并调节蔗糖在筛管中的运输(Casu等2003;McCormick等2006)。库端的蔗糖也起生理信号的作用,当库端蔗糖积累过高时,源器官蔗糖的合成下降,反之合成增加,从而影响源库端的净压力,进而调节蔗糖在筛管中的运输(Pammenter和Allison2002)。3葡萄糖仓库3.1通过聚合形式贮存库生产蔗糖共质体卸载同样是利用细胞间的天然通道—胞间连丝而进行的。胞间连丝的运输可以避免跨膜运输对能量的依赖,因此比跨膜运输具备更大的转运能力(Murphy1989);同时共质体运输也利于水分的运输,消除水分对筛分子中溶液的稀释。在细胞间的共质连续体中,溶质是通过胞间连丝顺着筛管和库细胞的浓度梯度进行移动的,筛分子与库细胞通过聚合形式(贮存库)或通过将同化物用于生长发育(消耗库)以维持浓度梯度(Patrick1990;Oparka1990)。甘蔗中蔗糖从韧皮部到贮藏组织的转运方式受到贮藏组织结构的影响。在甘蔗茎维管束周围环绕着一层厚壁细胞(随着植物的生长细胞逐渐栓化),这层细胞阻挡了蔗糖转运过程中质外体中溶质的移动(Jacobsen等1992;Grof和Campbell2001)。因此依靠单一外质体途径蔗糖很可能难以从韧皮部到达薄壁组织细胞。此外还有研究表明甘蔗茎节维管束中的所有细胞可以通过胞间连丝形成共质体连结。采用共质体示踪剂萤光黄(luciferyellow)和竣基荧光素(carboxyfluorescein)检测表明,示踪剂可以从韧皮部向维管束薄壁组织细胞中移动,并且穿过厚壁细胞和通过胞间连丝进入到环绕在维管束周围的薄壁细胞中贮存起来(Walsh等2005;Rae等2005b)。这些研究均表明,甘蔗中蔗糖从韧皮部向维管束薄壁组织细胞中的卸载是一种共质体卸载。3.2甘蔗蔗糖转化酶为了维持蔗糖流动的动力梯度,蔗糖一部分通过胞间连丝运输到贮藏薄壁细胞,另一部分直接卸载到贮藏薄壁细胞的质外体空间后再通过蔗糖载体蛋白转运到贮藏薄壁细胞。Welbaum和Meinzer(1990)在贮藏组织质外体溶质中检测到高浓度的蔗糖,这表明围绕在维管束周围厚壁细胞外的某一处存在着蔗糖质外体卸载途径。即SE-CC复合体内的蔗糖通过蔗糖运转蛋白介导跨过筛分子膜进入贮藏薄壁细胞,同时伴随着能量的代谢运输过程(Delrot1981)。甘蔗维管束周围疏水的栓化细胞常形成一种单独的质外体隔室,因此甘蔗蔗糖在质外体中的转运与其他植物不同(Welbaum和Meinzer1990;Jacobsen等1992)。在甘蔗茎中,蔗糖还经过伴胞从筛管释放到细胞壁质外体中,并在其中的酸性转化酶的作用下水解成己糖,己糖又在己糖转运蛋白协助下进入贮藏薄壁细胞再进入其液泡中重新合成蔗糖,这一途径对维持蔗糖的卸载梯度有一定的作用(Glasziou和Gayler1972;Casu等2003,2005;Lakshmanan等2005;王俊刚等2007)。随着甘蔗的成熟,其茎节间的蔗糖酶活性和己糖含量逐渐下降,表明质外体卸载途径只是在幼嫩茎节处较为显著(Welbaum和Meinzer1990;Rose和Botha2000;Albertson·等2001)。Weschke等(2003)发现,蔗糖转化酶和转运蛋白在甘蔗中呈规律性的表达,因而认为其在调节体内己糖和蔗糖比例中起作用,它们可能是作为一种发育信号调节植物的生长。共质体卸载和质外体卸载并不是互相排斥的,二者在不同的植物生长发育状态下是可以协调作用的。在甘蔗的茎中,当同化物从输导组织到邻近贮藏细胞通过共质体途径卸载达到饱和时,累积到较高浓度的蔗糖即会通过质外体卸载途径进行卸载,从而增加库端的容积,增加蔗糖的积累。Moore和Cosgrove(1991)报道,蔗糖既可以质外体途径进行卸载,也可以共质体途径进行卸载。此外,植物体内糖类的卸载也可能通过小囊泡的形式运输和储存到薄壁细胞中(Etxeberria等2005a,b,c)。总之,不同植物和不同库器官的卸载途径和机制不同,并且随着发育阶段和生理状态的变化卸载途径也会发生改变。4小麦珠心发射细胞和拟南党内糖质糖系统蔗糖转运蛋白在蔗糖韧皮部装载和卸载中起作用,但其在卸载和韧皮部后运输过程中的作用并不很清楚(Rae等2005a;白雪梅等2006)。目前已经在多种植物中发现了具有蔗糖运输活性的转运蛋白,它们存在于预期的蔗糖转运部位,如正在生长的小麦珠心发射细胞(necellarprojectioncells)(Bagnall等2000)和拟南芥根尖部位(Truernit和Sauer1995)。在突变的酵母中,这些转运蛋白具有质子和蔗糖共转运的能力,但在一些条件下,这些蔗糖载体还具备通过促进扩散来转运蔗糖的能力(Lemoine等1996;Lalonde等2003),并对植物的生长发育、植物的抗逆及其经济器官的形成起作用。Rae等(2005b)在甘蔗茎中分离到一个蔗糖转运蛋白ShSUT1,定位于茎维管束周围的组织中,它能将在长距离运输过程中遗漏质外体的蔗糖重新转入共质体中,也有可能将蔗糖转入贮存组织的质外体中或在相隔的质外体空间中转运蔗糖,以保持质外体空间蔗糖浓度的平衡,但其具体作用机制还不清楚,尚待进一步研究。5橡胶部的装载和拆卸控制5.1胞间连丝在甘蔗运输过程中的改变蔗糖的共质体装载和卸载都是通过胞间连丝实现的,由于胞间连丝的转运能力很容易受到生理变化的影响,因此这一领域的研究进展较慢,但也在调节胞间连丝结构、通透性、以及胞间连丝两端的净压力方面取得了一定的进展。Roberts和Oparka(2003)的研究表明,在胞间连丝末端的狭窄颈区(neckregion)内部存在多种蛋白质,胞间连丝结构和通透性的调节很可能是由于蛋白质中某些酶起作用的结果(Walsh等2005);甘蔗质外体中含有大量的与蔗糖代谢相关的酶,它们通过水解蔗糖调节胞间连丝两端的净压力,同时调节蔗糖的运输效率。Roitsch和Gonzalez(2004)报道,库细胞中的催化蔗糖降解的酶(转化酶或蔗糖合成酶)其活性也可以影响胞间连丝的运输效率。现在已在甘蔗中克隆得到蔗糖转化酶和蔗糖合成酶的基因(Sturm1999;等2005;黄东杰等2006)。Russin等(1996)在玉米叶中鉴定了一个胞间连丝的功能性突变体sxd1,它能够阻止维管束鞘和维管薄壁细胞之间蔗糖通过胞间连丝;MezittProvencher等(2001)进一步研究表明,sxd1不是胞间连丝蛋白而是一种多功能的突变体,影响维管束鞘细胞的分化,从而影响蔗糖的运输。MedinaEscobar等(2003)采用高通量基因筛选技术与GFP融合蛋白相结合的方法获得了11个编码胞间连丝的蛋白。这些新技术的应用将对胞间连丝的调节机制的研究产生一定的影响。另外,在其他物种中发现胞间连丝的超微结构和通透性还受细胞的生理条件、发育阶段和环境条件的影响(Cleland等1994;王冬梅等2000);胞间连丝颈口的变化也直接影响共质体的运输效率(Tucker1990;Fengshan和Peterson2001;简令成等2003)。甘蔗体内蔗糖的运输是否也受上述条件的影响还有待进一步研究。5.2影响蔗糖转运蛋白表达的因素蔗糖的质外体运输是一种跨膜主动运输。细胞膜上蔗糖载体利用相耦联的H+-ATPase形成的质膜电化学势梯度,进行蔗糖的同向跨膜运输(Walker等2000)。因此认为,蔗糖的跨膜运输需要ATP和韧皮部汁液的高pH。凡是影响蔗糖跨膜运输的因素均可以影响蔗糖的质外体运输。植物激素和光照可以影响蔗糖转运蛋白的表达,从而也调节蔗糖的质外体运输(2003)。Roblin等(1998)用蛋白磷酸酶抑制剂——岗田酸(okadaicacid)处理甜菜叶片后,蔗糖转运蛋白的活性降低,而转运蛋白的表达量并不发生变化,于是认为岗田酸是通过抑制蔗糖转运蛋白的磷酸化而影响转运蛋白活性。蛋白质合成抑制剂——放线菌酮能抑制蔗糖转运蛋白的合成,因此也可以调节蔗糖的质外体转运(等1997)。蔗糖本身也可作为糖信号分子在转导过程中引起蔗糖转运蛋白的磷酸化和去磷酸化,调节蔗糖转运蛋白的活性与表达,进而调节蔗糖的质外体运输。如甜菜质外体中蔗糖浓度的升高就能够引起蔗糖转运蛋白BvSUTl的转录和表达减少,从而降低蔗糖的转运速率(Vaughn等2002)。Ransom-Hodgkins等(2003)进一步证实,蔗糖可作为一种信号分子调节质外体蔗糖的运输。此外,蔗糖类似物蔗糖素也能够抑制蔗糖转运蛋白对蔗糖的转运(Reinders等2006)。6液泡膜上蔗糖的转导控制甘蔗茎中蔗糖积累的关键性决定因素是存在于快速发育的茎细胞中蔗糖糖代谢相关酶的活性和蔗糖的跨膜运输能力,而不是作为源叶中输出光合产物的能力和韧皮部运输蔗糖的效率(Rohwer和Botha2001;Uys等2007)。液泡是甘蔗积累蔗糖的主要细胞器,它决定甘蔗品质与质量。蔗糖进入液泡有H+-蔗糖反向转运(H+-sucroseantiporters)系统和易化扩散(facilitateddiffusion)2种方式。Echeverria等(1997)证实,甜柠檬(Citruslimmetioides)中糖份向液泡运输是通过易化扩散来完成的,但甜柠檬液泡中的糖份是以单糖的形式存在而不是蔗糖。Maeshima(2001)的研究表明,液泡膜上H+-ATP水解酶和焦磷酸化酶能维持液泡内的低pH,为H+-蔗糖反向转运系统提供能量。Weschke等(2000)和Endler等(2006)证实,定位在液泡膜上的大麦蔗糖转运蛋白HvSUT2与淀粉的积累密切相关。Thom和Komor(1985)在甘蔗悬浮细胞培养的液泡膜上也曾发现一种液泡膜ATP水解酶,认为甘蔗蔗糖在液泡中的积累过程很可能是由H+-蔗糖反向转运系统介导的。我们也分离得到一个蔗糖转运蛋白基因,可能定位液泡上,并与蔗糖的积累呈正相关(王俊刚等未发表资料)。但是还没有足够的证据证明究竟是哪种方式介导甘蔗中蔗糖转运到液泡。蔗糖在液泡中的累积可以维持细胞质中蔗糖的低浓度状态,从而为薄壁细胞中蔗糖运输提供动力。但甘蔗组织中液泡中蔗糖和细胞质浓度之间有什么相关性还未查明,用微量采样技术有可能解决这一问题。甘蔗茎液泡中蔗糖的积累速率还受各种代谢相关酶活性的平衡以及蔗糖“无效循环”(futilecycling)中的蔗糖积累共同调节(Wendler等1990;Whittaker和Botha1997)。在“无效循环”中蔗糖积累可能有微弱的改变,这种改变可能对整个蔗糖积累速率产生较大的影响(Wendler等1990);Moore(1995)认为蔗糖的积累是多种因素共同作用的结果,通常情况下单一因素的改变并不影响甘蔗成熟茎中的蔗糖含