蔗糖與甘蔗的生長發(fā)育

蔗糖與甘蔗的生長發(fā)育

甘蔗生長在亞熱帶和亞熱帶地區(qū)。這是人類第一種使用csi光譜的高光效植物。蔗糖是甘蔗光合作用的主要產(chǎn)物之一,也是植物體內(nèi)光合產(chǎn)物運輸與分配的主要形式。甘蔗光合作用形成的蔗糖從源到庫(消耗或貯存同化物的器官)的運輸過程是由多個生化過程和組織結(jié)構(gòu)所控制的一個高度完整的系統(tǒng)。整個運輸系統(tǒng)包括蔗糖從光合組織葉肉細(xì)胞到韌皮部的運輸、蔗糖在韌皮部的裝載、篩管中的運輸、韌皮部卸載和庫器官中蔗糖的吸收、積累等過程(圖1)。蔗糖在甘蔗中以一種定向運輸和分配的方式調(diào)控甘蔗的整個生長和發(fā)育進程(包括相關(guān)的生理過程、生化代謝途徑和基因表達等),同時也決定甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)。鑒于蔗糖轉(zhuǎn)運及其對甘蔗生理過程影響的重要性,本文就蔗糖在甘蔗體內(nèi)的轉(zhuǎn)運途徑作了介紹。1共質(zhì)體或質(zhì)外體裝卸韌皮部裝載(phloemloading)是指光合同化物從葉肉細(xì)胞運出后直至最終進入篩管的整個過程。其又分為共質(zhì)體和質(zhì)外體裝載2種方式:在裝載過程中,如果溶質(zhì)是通過胞間連絲進入SE-CC復(fù)合體,韌皮部裝載屬于共質(zhì)體的裝載;如果溶質(zhì)是跨過質(zhì)膜通過細(xì)胞間隙進入SE-CC復(fù)合體,韌皮部裝載屬于質(zhì)外體裝載。而韌皮部不同的裝載途徑主要取決于不同的組織類型和不同的生長階段(Lalonde等2003)。1.1施甘蔗的莖節(jié)蔗糖在甘蔗葉片光合作用組織葉肉細(xì)胞中合成。合成的蔗糖如果是通過胞間連絲從葉肉細(xì)胞直接轉(zhuǎn)運到韌皮部傳導(dǎo)細(xì)胞,就形成了共質(zhì)體裝載,進行長距離和短距離運輸(vanBel和Gamalei1992)。Robinson-Beers和Evert(1991a,b)采用透射電子顯微鏡觀察到甘蔗的成熟葉片中有胞間連絲的存在,且不同細(xì)胞之間的胞間連絲形狀有很大差異;Walsh等(2005)用共質(zhì)體示蹤劑5,6-羧基熒光素(5,6-carboxyfluoresceinCF)噴施甘蔗第4片葉后,在其相應(yīng)的莖節(jié)發(fā)現(xiàn)有示蹤劑的存在,說明蔗糖可以通過共質(zhì)體進行裝載。Gamalei(2000)、Hoffmann-Thoma等(2001)、Turgeon和Medville(2004)用蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白抑制劑PCMBS(對氯高汞苯磺酸)處理植物葉圓片時,PCMBS并不能抑制葉脈處蔗糖的裝載,說明蔗糖裝載是通過胞間連絲到達SC-CC復(fù)合體,未進行跨膜轉(zhuǎn)運,屬于共質(zhì)體裝載。蔗糖的共質(zhì)體裝載機制主要有“聚合陷阱”機制(polymerizationtrapmechanism)和“集體流”(massflow)2種學(xué)說。Turgeon和Beebe(1991)認(rèn)為蔗糖是通過“聚合陷阱”機制進行裝載:葉肉細(xì)胞內(nèi)形成的蔗糖順著濃度梯度擴散進人一種特化的伴胞(中間細(xì)胞),隨之合成棉子糖,最終合成水蘇糖或毛蕊花糖。前述合成的寡聚糖分子的直徑超過了葉肉細(xì)胞和中間細(xì)胞間的胞間連絲可運輸物質(zhì)的最大直徑,可防止糖向葉肉細(xì)胞的倒流,而中間細(xì)胞和篩管分子間的分枝胞間連絲直徑較大,可以讓這些寡聚糖分子通過進人篩管。之后的研究也支持“聚合陷阱”理論(Knop等2001,2004;Turgeon和Medville2004)。但是在甘蔗莖內(nèi)棉子糖含量與蔗糖的濃度呈正相關(guān),說明在甘蔗中不可能通過“聚合陷阱”機制途徑進行裝載(Glassop等2007)。Moore(1995)認(rèn)為甘蔗中應(yīng)該是通過源器官合成蔗糖,在維管束鞘細(xì)胞和韌皮部細(xì)胞之間形成凈壓力,產(chǎn)生集體流使蔗糖通過胞間連絲運輸?shù)巾g皮部,而甘蔗質(zhì)外體高濃度的蔗糖減少了篩分子滲透壓,從而有利于形成凈壓力,產(chǎn)生集體流促進蔗糖在篩管中的運輸。1.2蔗糖的轉(zhuǎn)運蛋白甘蔗光合組織葉肉細(xì)胞中合成的蔗糖也有一部分進入質(zhì)外體空間,然后通過位于SE-CC復(fù)合體質(zhì)膜上的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白逆濃度梯度進入伴胞細(xì)胞最后進入篩管。Gottwald等(2000)發(fā)現(xiàn)蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的插入突變體能夠引起蔗糖的不正常積累;楊彩菊等(2006)在源端韌皮部細(xì)胞膜上也多次定位了可允許蔗糖從細(xì)胞外溶液進入細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運蛋白。蔗糖在質(zhì)外體韌皮部裝載中的途徑仍不很清楚,但維管組織被認(rèn)為是蔗糖最可能的釋放位點(Lalonde等2003)。Rae等(2005b)曾從成熟甘蔗的莖中分離得到了一個蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白ShSUT1,但它定位在葉片維管束周圍的細(xì)胞中,其表達量非常強,說明其對蔗糖的裝載起作用。2蔗糖在源端運輸方面的調(diào)節(jié)蔗糖在篩管內(nèi)的運輸是通過一種集體流途徑進行的,受源庫兩側(cè)SE-CC內(nèi)滲透作用所形成的壓力梯度所驅(qū)動。壓力梯度的形成是由源端蔗糖不斷向SE-CC復(fù)合體進行裝載,庫端蔗糖不斷從SE-CC復(fù)合體卸出,以及韌皮部和木質(zhì)部之間水分的不斷再循環(huán)所引起的(Vaughn等2002)。因此,只要源端蔗糖的韌皮部裝載和庫端蔗糖的卸出過程不斷進行,源庫間就能維持一定的壓力梯度,并在壓力梯度驅(qū)動下蔗糖可源源不斷地由源端向庫端運輸。蔗糖在篩管中運輸?shù)恼{(diào)節(jié)主要集中在源器官和庫器官兩端的凈壓力上。Roitsch和Ehneβ(2000)報道,細(xì)胞分裂素能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶和己糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達,并使蔗糖水解加快,同時己糖轉(zhuǎn)運蛋白的增加能夠加速單糖的轉(zhuǎn)運,從而使庫端的凈壓力減小,源庫間壓力梯度增加,最終蔗糖在篩管中的運輸速率加快。源端的光合作用也能夠正調(diào)節(jié)庫端蔗糖的積累,并調(diào)節(jié)蔗糖在篩管中的運輸(Casu等2003;McCormick等2006)。庫端的蔗糖也起生理信號的作用,當(dāng)庫端蔗糖積累過高時,源器官蔗糖的合成下降,反之合成增加,從而影響源庫端的凈壓力,進而調(diào)節(jié)蔗糖在篩管中的運輸(Pammenter和Allison2002)。3葡萄糖倉庫3.1通過聚合形式貯存庫生產(chǎn)蔗糖共質(zhì)體卸載同樣是利用細(xì)胞間的天然通道—胞間連絲而進行的。胞間連絲的運輸可以避免跨膜運輸對能量的依賴,因此比跨膜運輸具備更大的轉(zhuǎn)運能力(Murphy1989);同時共質(zhì)體運輸也利于水分的運輸,消除水分對篩分子中溶液的稀釋。在細(xì)胞間的共質(zhì)連續(xù)體中,溶質(zhì)是通過胞間連絲順著篩管和庫細(xì)胞的濃度梯度進行移動的,篩分子與庫細(xì)胞通過聚合形式(貯存庫)或通過將同化物用于生長發(fā)育(消耗庫)以維持濃度梯度(Patrick1990;Oparka1990)。甘蔗中蔗糖從韌皮部到貯藏組織的轉(zhuǎn)運方式受到貯藏組織結(jié)構(gòu)的影響。在甘蔗莖維管束周圍環(huán)繞著一層厚壁細(xì)胞(隨著植物的生長細(xì)胞逐漸栓化),這層細(xì)胞阻擋了蔗糖轉(zhuǎn)運過程中質(zhì)外體中溶質(zhì)的移動(Jacobsen等1992;Grof和Campbell2001)。因此依靠單一外質(zhì)體途徑蔗糖很可能難以從韌皮部到達薄壁組織細(xì)胞。此外還有研究表明甘蔗莖節(jié)維管束中的所有細(xì)胞可以通過胞間連絲形成共質(zhì)體連結(jié)。采用共質(zhì)體示蹤劑螢光黃(luciferyellow)和竣基熒光素(carboxyfluorescein)檢測表明,示蹤劑可以從韌皮部向維管束薄壁組織細(xì)胞中移動,并且穿過厚壁細(xì)胞和通過胞間連絲進入到環(huán)繞在維管束周圍的薄壁細(xì)胞中貯存起來(Walsh等2005;Rae等2005b)。這些研究均表明,甘蔗中蔗糖從韌皮部向維管束薄壁組織細(xì)胞中的卸載是一種共質(zhì)體卸載。3.2甘蔗蔗糖轉(zhuǎn)化酶為了維持蔗糖流動的動力梯度,蔗糖一部分通過胞間連絲運輸?shù)劫A藏薄壁細(xì)胞,另一部分直接卸載到貯藏薄壁細(xì)胞的質(zhì)外體空間后再通過蔗糖載體蛋白轉(zhuǎn)運到貯藏薄壁細(xì)胞。Welbaum和Meinzer(1990)在貯藏組織質(zhì)外體溶質(zhì)中檢測到高濃度的蔗糖,這表明圍繞在維管束周圍厚壁細(xì)胞外的某一處存在著蔗糖質(zhì)外體卸載途徑。即SE-CC復(fù)合體內(nèi)的蔗糖通過蔗糖運轉(zhuǎn)蛋白介導(dǎo)跨過篩分子膜進入貯藏薄壁細(xì)胞,同時伴隨著能量的代謝運輸過程(Delrot1981)。甘蔗維管束周圍疏水的栓化細(xì)胞常形成一種單獨的質(zhì)外體隔室,因此甘蔗蔗糖在質(zhì)外體中的轉(zhuǎn)運與其他植物不同(Welbaum和Meinzer1990;Jacobsen等1992)。在甘蔗莖中,蔗糖還經(jīng)過伴胞從篩管釋放到細(xì)胞壁質(zhì)外體中,并在其中的酸性轉(zhuǎn)化酶的作用下水解成己糖,己糖又在己糖轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)助下進入貯藏薄壁細(xì)胞再進入其液泡中重新合成蔗糖,這一途徑對維持蔗糖的卸載梯度有一定的作用(Glasziou和Gayler1972;Casu等2003,2005;Lakshmanan等2005;王俊剛等2007)。隨著甘蔗的成熟,其莖節(jié)間的蔗糖酶活性和己糖含量逐漸下降,表明質(zhì)外體卸載途徑只是在幼嫩莖節(jié)處較為顯著(Welbaum和Meinzer1990;Rose和Botha2000;Albertson·等2001)。Weschke等(2003)發(fā)現(xiàn),蔗糖轉(zhuǎn)化酶和轉(zhuǎn)運蛋白在甘蔗中呈規(guī)律性的表達,因而認(rèn)為其在調(diào)節(jié)體內(nèi)己糖和蔗糖比例中起作用,它們可能是作為一種發(fā)育信號調(diào)節(jié)植物的生長。共質(zhì)體卸載和質(zhì)外體卸載并不是互相排斥的,二者在不同的植物生長發(fā)育狀態(tài)下是可以協(xié)調(diào)作用的。在甘蔗的莖中,當(dāng)同化物從輸導(dǎo)組織到鄰近貯藏細(xì)胞通過共質(zhì)體途徑卸載達到飽和時,累積到較高濃度的蔗糖即會通過質(zhì)外體卸載途徑進行卸載,從而增加庫端的容積,增加蔗糖的積累。Moore和Cosgrove(1991)報道,蔗糖既可以質(zhì)外體途徑進行卸載,也可以共質(zhì)體途徑進行卸載。此外,植物體內(nèi)糖類的卸載也可能通過小囊泡的形式運輸和儲存到薄壁細(xì)胞中(Etxeberria等2005a,b,c)。總之,不同植物和不同庫器官的卸載途徑和機制不同,并且隨著發(fā)育階段和生理狀態(tài)的變化卸載途徑也會發(fā)生改變。4小麥珠心發(fā)射細(xì)胞和擬南黨內(nèi)糖質(zhì)糖系統(tǒng)蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白在蔗糖韌皮部裝載和卸載中起作用,但其在卸載和韌皮部后運輸過程中的作用并不很清楚(Rae等2005a;白雪梅等2006)。目前已經(jīng)在多種植物中發(fā)現(xiàn)了具有蔗糖運輸活性的轉(zhuǎn)運蛋白,它們存在于預(yù)期的蔗糖轉(zhuǎn)運部位,如正在生長的小麥珠心發(fā)射細(xì)胞(necellarprojectioncells)(Bagnall等2000)和擬南芥根尖部位(Truernit和Sauer1995)。在突變的酵母中,這些轉(zhuǎn)運蛋白具有質(zhì)子和蔗糖共轉(zhuǎn)運的能力,但在一些條件下,這些蔗糖載體還具備通過促進擴散來轉(zhuǎn)運蔗糖的能力(Lemoine等1996;Lalonde等2003),并對植物的生長發(fā)育、植物的抗逆及其經(jīng)濟器官的形成起作用。Rae等(2005b)在甘蔗莖中分離到一個蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白ShSUT1,定位于莖維管束周圍的組織中,它能將在長距離運輸過程中遺漏質(zhì)外體的蔗糖重新轉(zhuǎn)入共質(zhì)體中,也有可能將蔗糖轉(zhuǎn)入貯存組織的質(zhì)外體中或在相隔的質(zhì)外體空間中轉(zhuǎn)運蔗糖,以保持質(zhì)外體空間蔗糖濃度的平衡,但其具體作用機制還不清楚,尚待進一步研究。5橡膠部的裝載和拆卸控制5.1胞間連絲在甘蔗運輸過程中的改變蔗糖的共質(zhì)體裝載和卸載都是通過胞間連絲實現(xiàn)的,由于胞間連絲的轉(zhuǎn)運能力很容易受到生理變化的影響,因此這一領(lǐng)域的研究進展較慢,但也在調(diào)節(jié)胞間連絲結(jié)構(gòu)、通透性、以及胞間連絲兩端的凈壓力方面取得了一定的進展。Roberts和Oparka(2003)的研究表明,在胞間連絲末端的狹窄頸區(qū)(neckregion)內(nèi)部存在多種蛋白質(zhì),胞間連絲結(jié)構(gòu)和通透性的調(diào)節(jié)很可能是由于蛋白質(zhì)中某些酶起作用的結(jié)果(Walsh等2005);甘蔗質(zhì)外體中含有大量的與蔗糖代謝相關(guān)的酶,它們通過水解蔗糖調(diào)節(jié)胞間連絲兩端的凈壓力,同時調(diào)節(jié)蔗糖的運輸效率。Roitsch和Gonzalez(2004)報道,庫細(xì)胞中的催化蔗糖降解的酶(轉(zhuǎn)化酶或蔗糖合成酶)其活性也可以影響胞間連絲的運輸效率?，F(xiàn)在已在甘蔗中克隆得到蔗糖轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶的基因(Sturm1999;等2005;黃東杰等2006)。Russin等(1996)在玉米葉中鑒定了一個胞間連絲的功能性突變體sxd1,它能夠阻止維管束鞘和維管薄壁細(xì)胞之間蔗糖通過胞間連絲;MezittProvencher等(2001)進一步研究表明,sxd1不是胞間連絲蛋白而是一種多功能的突變體,影響維管束鞘細(xì)胞的分化,從而影響蔗糖的運輸。MedinaEscobar等(2003)采用高通量基因篩選技術(shù)與GFP融合蛋白相結(jié)合的方法獲得了11個編碼胞間連絲的蛋白。這些新技術(shù)的應(yīng)用將對胞間連絲的調(diào)節(jié)機制的研究產(chǎn)生一定的影響。另外,在其他物種中發(fā)現(xiàn)胞間連絲的超微結(jié)構(gòu)和通透性還受細(xì)胞的生理條件、發(fā)育階段和環(huán)境條件的影響(Cleland等1994;王冬梅等2000);胞間連絲頸口的變化也直接影響共質(zhì)體的運輸效率(Tucker1990;Fengshan和Peterson2001;簡令成等2003)。甘蔗體內(nèi)蔗糖的運輸是否也受上述條件的影響還有待進一步研究。5.2影響蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白表達的因素蔗糖的質(zhì)外體運輸是一種跨膜主動運輸。細(xì)胞膜上蔗糖載體利用相耦聯(lián)的H+-ATPase形成的質(zhì)膜電化學(xué)勢梯度,進行蔗糖的同向跨膜運輸(Walker等2000)。因此認(rèn)為,蔗糖的跨膜運輸需要ATP和韌皮部汁液的高pH。凡是影響蔗糖跨膜運輸?shù)囊蛩鼐梢杂绊懻崽堑馁|(zhì)外體運輸。植物激素和光照可以影響蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達,從而也調(diào)節(jié)蔗糖的質(zhì)外體運輸(2003)。Roblin等(1998)用蛋白磷酸酶抑制劑——崗田酸(okadaicacid)處理甜菜葉片后,蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的活性降低,而轉(zhuǎn)運蛋白的表達量并不發(fā)生變化,于是認(rèn)為崗田酸是通過抑制蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的磷酸化而影響轉(zhuǎn)運蛋白活性。蛋白質(zhì)合成抑制劑——放線菌酮能抑制蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的合成,因此也可以調(diào)節(jié)蔗糖的質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(等1997)。蔗糖本身也可作為糖信號分子在轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中引起蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的磷酸化和去磷酸化,調(diào)節(jié)蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的活性與表達,進而調(diào)節(jié)蔗糖的質(zhì)外體運輸。如甜菜質(zhì)外體中蔗糖濃度的升高就能夠引起蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白BvSUTl的轉(zhuǎn)錄和表達減少,從而降低蔗糖的轉(zhuǎn)運速率(Vaughn等2002)。Ransom-Hodgkins等(2003)進一步證實,蔗糖可作為一種信號分子調(diào)節(jié)質(zhì)外體蔗糖的運輸。此外,蔗糖類似物蔗糖素也能夠抑制蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白對蔗糖的轉(zhuǎn)運(Reinders等2006)。6液泡膜上蔗糖的轉(zhuǎn)導(dǎo)控制甘蔗莖中蔗糖積累的關(guān)鍵性決定因素是存在于快速發(fā)育的莖細(xì)胞中蔗糖糖代謝相關(guān)酶的活性和蔗糖的跨膜運輸能力,而不是作為源葉中輸出光合產(chǎn)物的能力和韌皮部運輸蔗糖的效率(Rohwer和Botha2001;Uys等2007)。液泡是甘蔗積累蔗糖的主要細(xì)胞器,它決定甘蔗品質(zhì)與質(zhì)量。蔗糖進入液泡有H+-蔗糖反向轉(zhuǎn)運(H+-sucroseantiporters)系統(tǒng)和易化擴散(facilitateddiffusion)2種方式。Echeverria等(1997)證實,甜檸檬(Citruslimmetioides)中糖份向液泡運輸是通過易化擴散來完成的,但甜檸檬液泡中的糖份是以單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維持液泡內(nèi)的低pH,為H+-蔗糖反向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)提供能量。Weschke等(2000)和Endler等(2006)證實,定位在液泡膜上的大麥蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白HvSUT2與淀粉的積累密切相關(guān)。Thom和Komor(1985)在甘蔗懸浮細(xì)胞培養(yǎng)的液泡膜上也曾發(fā)現(xiàn)一種液泡膜ATP水解酶,認(rèn)為甘蔗蔗糖在液泡中的積累過程很可能是由H+-蔗糖反向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)介導(dǎo)的。我們也分離得到一個蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白基因,可能定位液泡上,并與蔗糖的積累呈正相關(guān)(王俊剛等未發(fā)表資料)。但是還沒有足夠的證據(jù)證明究竟是哪種方式介導(dǎo)甘蔗中蔗糖轉(zhuǎn)運到液泡。蔗糖在液泡中的累積可以維持細(xì)胞質(zhì)中蔗糖的低濃度狀態(tài),從而為薄壁細(xì)胞中蔗糖運輸提供動力。但甘蔗組織中液泡中蔗糖和細(xì)胞質(zhì)濃度之間有什么相關(guān)性還未查明,用微量采樣技術(shù)有可能解決這一問題。甘蔗莖液泡中蔗糖的積累速率還受各種代謝相關(guān)酶活性的平衡以及蔗糖“無效循環(huán)”(futilecycling)中的蔗糖積累共同調(diào)節(jié)(Wendler等1990;Whittaker和Botha1997)。在“無效循環(huán)”中蔗糖積累可能有微弱的改變,這種改變可能對整個蔗糖積累速率產(chǎn)生較大的影響(Wendler等1990);Moore(1995)認(rèn)為蔗糖的積累是多種因素共同作用的結(jié)果,通常情況下單一因素的改變并不影響甘蔗成熟莖中的蔗糖含