蔗糖代谢中蔗糖磷酸合成酶(SPS)的研究进展

蔗糖磷酸合成酶(sucrosephosphatesynthase,SPS)参与植物的生长发育,而植物生长发育所需要的光合产物大部分以蔗糖的形式供应和运输,其中蔗糖磷酸合成酶是蔗糖进入各种代谢途径所必需的关键酶之一。本文综述了蔗糖磷酸合成酶生物学功能,基因表达调控及进化,SPS基因的克隆及遗传转化植株的表现;并进一步对蔗糖磷酸合成酶的研究作出设想。

高粱可溶性糖含量与SS、SPS酶活性的相关性研究

以5个高粱品系和1个杂交种为试材,研究了不同生长发育时期高粱可溶性糖含量与SS、SPS酶活性的变化规律及相关性。结果表明,SS与可溶性糖含量在生长后期呈负相关,SPS与可溶性糖含量呈正相关。茎秆可溶性糖含量一直呈上升趋势,在完熟期达到最大值,此时正是高粱的最佳收获时期。

不同种植密度对甜高粱糖分积累及SS、SPS活性的影响

对2个甜高粱品种XT-2、T601设置7个不同种植密度处理,分析了甜高粱不同生育阶段总糖含量、还原糖含量、蔗糖含量、SS和SPS活性的变化。2个品种的总糖含量随生长进程均升高,成熟期达最高值。其还原糖的变化趋势不一致,XT-2呈升高-平缓-降低的趋势,T601呈升高-降低的趋势。2个品种在整个生育期蔗糖含量均呈升高的趋势,成熟期达最高值。T601除密度处理B6(6170株hm–2)外其他处理SS活性均呈升高-降低-升高的趋势,XT-2无明显规律。XT-2除密度处理B2(11 110株hm–2)、B4(7929株hm–2)外其他处理SPS活性均呈升高-降低-升高的趋势,T601无明显规律。综上所述,甜高粱品种XT-2最适于糖分积累的密度为9250株hm–2,成熟期总糖含量达14.2%(鲜基),T601的最适密度为11 110株hm–2,成熟期总糖含量达14.31%(鲜基),作为积累糖的原料,后者为最佳选择。完熟期SS活性下降、SPS活性上升有利于糖的积累,为最佳收获时期。

不同播种期下甜高粱秸秆SS、SPS酶活性的研究

【目的】以新高粱3号(XT-2)和新高粱9号(T601)为研究对象,分析不同播期甜高粱不同生育阶段茎秆SS和SPS酶活性的变化规律及相关性。【方法】在5个不同播期条件下进行了蔗糖和酶活性测定试验。【结果】茎秆的蔗糖含量随着生育期不断升高,成熟期达到最高值。不同品种和不同播期秸秆蔗糖含量有差异,新高粱3号第二播期的蔗糖含量最高,高达7.66%,第五播期最低,仅为1.87%。对于新高粱9号来说第三播期蔗糖含量最高,达9.17%,第二播期最低,仅为6.19%。不同播期和不同品种之间秸秆蔗糖含量与SS、SPS酶活性的相关趋势有差异。除新高粱3号第一播期、第三播期的蔗糖含量与SS酶活性呈极显著相关外,其余播期的蔗糖含量与SS酶活性均呈相关性不显著。不同播期下秸秆蔗糖含量与SPS酶活性均呈相关不显著。【结论】早播时新高粱3号蔗糖含量比较高,晚播时新高粱9号蔗糖含量高。因此新疆,尤其是在北疆新高粱3号糖分积累的最适播期为5月初旬,新高粱9号最适播期为5月中旬。

龙眼SPS基因克隆及其表达分析

【目的】克隆龙眼蔗糖磷酸合成酶基因(DlSPS)并分析其表达特性,为深入探究SPS基因家族成员在植物生长发育过程中的调控机制提供理论依据。【方法】以石硖龙眼为材料,利用RT-PCR和RACE技术克隆DlSPS基因,对其进行生物信息学分析,并用实时荧光定量PCR检测龙眼不同组织[根、茎、叶、幼果、果皮、花、熟果(果肉和果皮)]的相对表达量;测定分析果实发育过程中蔗糖含量、SPS活性及DlSPS基因表达的相关性。【结果】克隆获得的DlSPS基因(GenBank登录号为KP769779)cDNA全长3504 bp,编码1057个氨基酸残基,其编码蛋白分子量118.38 kD,理论等电点6.09,脂溶指数85.53,不稳定系数43.69,亲/疏水性平均值-0.412,为不稳定的亲水蛋白。DlSPS蛋白与温州蜜桔(BAA23213.1)SPS蛋白同源性最高,聚在同一小分支上,表明二者亲缘关系较近。DlSPS蛋白二级结构中,α-螺旋占35.0%,延伸链占13.8%,无规则卷曲占51.2%,与其三级结构预测结果相符。DlSPS基因在不同组织中均有表达,但表达量存在明显差异,其中在叶中的表达量显著高于其他组织(P<0.05,下同),其次是在幼果和花中的表达量,在根、果肉、果皮和茎中的表达量较低。龙眼果实发育过程中,蔗糖含量和SPS活性均呈先上升后下降的趋势,但蔗糖含量在谢花后101 d达最大值,而SPS活性在谢花后94 d活性达最大值,说明SPS活性与蔗糖积累具有一定的相关性。DlSPS基因的表达量随着果实发育呈略微下降—大幅上升—略微下降的变化趋势,在谢花后101 d表达量达到最大值,此时蔗糖含量也达最大值。【结论】SPS在龙眼不同组织生长发育过程中对蔗糖积累发挥重要作用,尤其是对叶片和果实中蔗糖积累发挥关键作用。

柠檬蔗糖代谢关键酶基因家族鉴定及表达分析

【目的】对柠檬蔗糖代谢关键酶基因家族成员进行鉴定,并分析其在蔗糖积累有明显差异的2个柠檬品种果实发育过程中的表达情况,为揭示柠檬蔗糖代谢关键酶在果实发育中的作用机制及柠檬与其他柑橘类果实蔗糖代谢分子机制提供理论依据。【方法】运用生物信息学方法鉴定柠檬蔗糖代谢关键酶[蔗糖合成酶(SUS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖转化酶(INV)]基因家族成员,对其基本理化性质、保守基序、基因结构、系统进化、蛋白质保守功能域、顺式作用元件和进化模式等进行全面分析。基于转录组数据分析柠檬蔗糖代谢关键酶基因家族成员在不同组织中的表达模式,并利用实时荧光定量PCR检测其在果皮和果肉发育过程的表达情况。【结果】从柠檬基因组共鉴定获得6个ClSUS基因家族成员(ClSUS1~ClSUS6)、4个ClSPS基因家族成员(ClSPS1~ClSPS4)和15个ClINV基因家族成员(ClINV1~ClINV15),其中ClSPSs基因编码的氨基酸数量最多,ClSUSs、ClSPSs和ClINVs基因编码的保守基序数量和种类大致相同,ClSUSs基因内含子数目为12~14个,ClSPSs基因的内含子数目为12~13个,ClINVs基因的内含子数量为1~11个。ClSUS基因家族成员和ClINV基因家族成员各分为3个亚家族,ClSPS基因家族分为2个亚家族。ClSUS6、ClINV1和ClINV8蛋白均扩张出新的结构域,依据结构域不同,ClINV蛋白家族成员分为2种不同水解酶类型。ClSUSs、ClSPSs和ClINVs基因启动子区域均含有激素响应、光响应、胁迫响应和生长发育调控元件。共25个基因不均匀地分布在染色体上,出现基因串联和片段复制现象。基于转录组数据分析,发现仅有21个基因表达,其中7个基因在柠檬不同组织中特异性表达。21个基因的相对表达量与葡萄糖、果糖和蔗糖含量呈不同程度相关性,其中有9个基因与柠檬葡萄糖、果糖和蔗糖含量呈明显正相关或负相关。实时荧光定量PCR检测结果显示,ClSUSs、ClSPSs和ClINVs基因整体上在果皮中的表达量均比果肉中的表达量高,在果皮中高表达的基因有ClSUS4、ClSPS2、ClINV14和ClINV1,推测这些基因在柠檬果实可溶性糖积累过程中起重要调控作用。【结论】鉴定出的25个柠檬蔗糖代谢关键酶基因家族成员在理化性质与基因结构方面均存在明显差异,具有明显的组织表达特异性,部分成员如ClSUS4、ClSPS2、ClINV1和ClINV14等是调控柠檬果皮和果肉可溶性糖含量差异的关键基因。

脐橙在不同生境下果实蔗糖代谢相关酶的研究

研究了四川3个生态型区5个代表性果园中的脐橙果实蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性变化及其与果实糖积累的关系。结果表明:SPS是影响果实膨大期糖积累的重要酶,而成熟期的关键酶则是SS合成方向;在不同生境下,果实内SPS和SS分解方向活性差异不明显,而SS合成方向活性的差异则达到极显著水平,说明虽然SS分解方向和合成方向都通过调节果实库强而影响糖的运输和积累,但SS合成方向才是引起不同生境下脐橙果实含糖量差异的关键酶。

节水灌溉条件下饲料稻不同施氮水平碳代谢关键酶活性及产量表现

节水条件下,采用田间小区试验研究"氮中量施肥法"(N,P2O5,K2O施用量分别为190,90,100kg/hm2)、"氮高量施肥法"(N,P2O5,K2O为210,90,100 kg/hm2)、"氮低量施肥法"(N,P2O5,K2O为170,90,100kg/hm2)对饲料稻威优198蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SUS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPase)活性、光合特性以及产量的影响。结果表明,氮中量施肥法处理水稻旗叶和粒籽中的SPS、SUS、ADPase活性较高;旗叶净光合作用速率较快;叶和籽粒中蔗糖含量较高,蔗糖转化成淀粉的能力较强。氮中量施肥法处理能显著增加水稻的有效穗和籽粒产量,有效穗分别比氮高量栽培法和氮低量施肥法提高了7.70%和10.32%,籽粒产量分别比氮高量栽培法和氮低量施肥法提高了12.02%和8.47%。

枸杞蔗糖磷酸合成酶基因的克隆及组织表达分析

利用RT-PCR及RACE技术,从药用植物枸杞中克隆了1个编码蔗糖磷酸合成酶（SPS）基因的全长cDNA,命名为LbSPS（GenBank登录号KC834608）。序列分析表明：LbSPS基因长3 677 bp,开放阅读框为3 165 bp,编码1 033个氨基酸,分子量为118.457 5 kD,理论等电点6.05。系统进化分析显示,LbSPS编码的氨基酸序列与甜瓜、马铃薯、番茄等蔗糖磷酸合成酶基因编码氨基酸序列一致性为66%～98%。qRT-PCR分析显示,LbSPS基因在枸杞花中表达量最高,叶中表达水平较低。该研究为进一步了解LbSPS在枸杞生长发育、逆境胁迫等过程中的生物学功能奠定了基础。

不同贮藏温度条件下菜用大豆蔗糖代谢与相关酶活性变化

以‘新大粒1号’菜用大豆为试材,研究不同贮藏温度(1、5、10、20℃)条件下菜用大豆蔗糖代谢及相关酶活性的变化情况。结果表明,贮藏期间菜用大豆蔗糖、果糖及葡萄糖含量均呈整体下降趋势,1℃有效控制了蔗糖降解;酸性转化酶(AI)活性在第1天达到峰值后逐渐下降,不受贮藏温度影响;20℃条件下中性转化酶(NI)活性持续增加,至第4天达到最大值,其他温度组变化差异不显著(P>0.05);蔗糖合成酶(SS)活性略有降低后快速升高,至第4天达到峰值后逐渐下降;蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性呈整体下降趋势,与蔗糖含量呈极显著正相关(P<0.01),与果糖含量呈显著正相关(P<0.05),其他酶活性与糖含量之间均无显著相关性(P>0.05)。这表明SPS可能与‘新大粒1号’菜用大豆中蔗糖降解密切相关。

甘蔗叶片蔗糖磷酸合成酶基因cDNA克隆及序列分析

蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase,SPS)是高等植物体内控制蔗糖合成的关键酶之一。根据已报道的甘蔗蔗糖磷酸合成酶基因SoSPS2(GenBank登录号:AB001338.1)序列,采用RT-PCR方法从甘蔗(Saccharum officinarum FN95-1702)叶片中克隆获得SPS基因的cDNA片段。测序结果表明,该cDNA长3013 bp,其中第59-2953位是该基因的开放阅读框(ORF),编码964个氨基酸。与GenBank上已公布的序列比对分析表明,二者序列相似性达99.07%,氨基酸序列相似性达98.86%。

铵态氮对甜菜蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的影响

铵态氮对甜菜苗期蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活力有抑制作用,生育后期酶活力有所提高。铵态氮对根和叶中蔗糖合成酶的合成方向有促进作用,但超过8.0mmolNH+4/L后,蔗糖合成酶合成方向的酶活力下降,分解方向的酶活力反而随铵态氮增加而增强。蔗糖磷酸合成酶活性与施氮量呈二次抛物线型关系,当施氮量达12.8mmolNH+4/L时,根和叶片中的蔗糖磷酸合成酶活性有所降低。

干旱胁迫下菊芋蔗糖磷酸合成酶及转化酶活性变化规律研究

为研究干旱胁迫下不同菊芋品种不同部位的蔗糖磷酸合成酶(SPS)及蔗糖转化酶(INV)的活性变化规律,采用PEG模拟与人工控水胁迫的方式对青芋1号、青芋2号两个菊芋品种进行研究。结果表明:(1)青芋1号和青芋2号在10%、20%PEG胁迫下,茎中SPS活性均较对照高,而30%PEG胁迫下茎中SPS活性较对照低,INV活性均表现较低;而不同浓度PEG胁迫处理的叶片中,SPS活性均较对照高,INV活性表现仍然较低。(2)青芋1号和青芋2号茎、叶中的SPS活性在不同控水强度胁迫前期均较对照高;青芋1号INV活性在中度控水35 d时活性较低、蔗糖合成增加,青芋2号INV活性在所有控水条件下7 d后均下降,故适宜的控水强度及控水时间可以提高青芋1号和青芋2号茎、叶中的蔗糖含量。

植物蔗糖磷酸合成酶的生物信息学分析

本文采用生物信息学的方法对已在GenBank上注册的拟南芥、紫苜蓿、黑麦草、绿竹、文心兰等植物的蔗糖磷酸合成酶基因的核苷酸序列以及推导的氨基酸序列、组成成分、导肽、跨膜拓朴结构、疏水性/亲水性、蛋白质二级结构及功能域等进行分析预测和推断。结果表明:这些植物的蔗糖磷酸合成酶不存在导肽,为位于细胞质中非跨膜的亲水性不稳定蛋白,α-螺旋和不规则卷曲是其蛋白质二级结构的主要结构元件,β-转角和延伸链散布于整个蛋白质中,包含三个功能结构域。

橄榄果实发育成熟过程中糖积累与相关酶活性的关系

以可溶性总糖含量差异明显的2个橄榄品种为试验材料,测定果实发育成熟过程中蔗糖、葡萄糖、果糖、可溶性总糖含量及蔗糖代谢相关酶活性的动态变化,并对果实糖积累与酶活性进行相关性分析,以明确不同橄榄品种果实糖积累差异的生理基础,为进一步在代谢与分子水平探讨橄榄果实糖积累机制提供依据。结果表明：（1）蔗糖快速积累期是橄榄品种间果实蔗糖积累差异的关键时期,并影响成熟时果实可溶性总糖含量的高低,其中‘马坑22’蔗糖快速积累期较长,增长幅度较大,成熟时可溶性糖含量高;成熟时‘马坑22’、‘檀头23’果实内己糖与蔗糖比分别为0.668、0.904。（2）在蔗糖快速积累期内,‘马坑22’酸性转化酶（AI）活性低于‘檀头23’,为其蔗糖积累创造条件,而中性转化酶活性高于后者则有利于其增加果实库强;两品种蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性变化差异不大,说明SPS不是蔗糖积累的关键酶;‘马坑22’蔗糖合成酶（SuSy）合成方向活性在花后144~186d增幅显著高于‘檀头23’,说明SuSy为果实蔗糖积累的关键酶。（3）‘马坑22’蔗糖快速积累主要依靠SuSy合成方向活性变化促进蔗糖合成,‘檀头23’蔗糖快速积累主要依靠SuSy分解方向活性变化促进蔗糖直接进入果实。

玉米碳代谢关键酶活性的遗传分析

为研究玉米碳代谢关键酶PEPC和SPS活性的遗传特性,应用主基因+多基因混合遗传模型理论和4世代联合分离分析方法,对沈3336×沈3265组合4个世代的灌浆期穗位叶PEPC和SPS活性进行遗传分析。结果表明,PEPC和SPS活性的遗传模型分别为B-1模型(2对主基因的加性-显性-上位性模型)和E-1模型(2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合模型)。调控PEPC活性的主基因遗传率为36.5%,调控SPS活性的主基因遗传率为17.7%,多基因遗传率为35.9%。结果为玉米碳代谢相关性状的遗传改良提供理论依据,也为下一步开展QTL定位研究奠定基础。

作物叶中蔗糖磷酸合成酶的生物学功能与调控的研究进展

介绍蔗糖磷酸合成酶(SPS)的基本理化特性及SPS基因的克隆情况,综述利用转基因SPS植株研究作物叶中的SPS对光合作用产物的分配积累以及对作物的生长、发育、产量、品质、氮素转运的影响,以及SPS对高浓度二氧化碳的反应和SPS活性的调控等方面的研究进展。提出今后SPS的研究重点应该围绕解析SPS和磷酸蔗糖磷酸化酶(SPP)之间的关系,以及选育用于生产生物质能源的转SPS基因的甘蔗和木薯品种等方面开展。

不同氮、磷施用量对甜菜叶片中蔗糖代谢有关酶活性的影响

甜菜叶片中蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、转化酶的活性随土壤施氮、磷的量不同而变化,氮磷营养对蔗糖磷酸合成酶的活性调节表明,随施氮量的增加(0～300kg/hm2),叶片蔗糖磷酸合成酶的活性相应地提高,在同等施氮条件下,增加磷的施用量可提高蔗糖磷酸合成酶的活性。在苗期,施用氮、磷肥对蔗糖合成酶的活性没有影响。生育后期,蔗糖合成酶的活性随施氮量的增加而活性提高。但在较高的施氮水平下,提高磷的施用量可降低蔗糖合成酶的活性。生育期内氮、磷对转化酶无明显的调节作用。

陆地棉蔗糖磷酸合成酶基因家族的鉴定及表达分析

【目的】蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)是调控植物蔗糖代谢合成途径的关键酶,在植物光合产物的积累与分配方面发挥着重要作用,然而棉花中SPS基因的系统研究尚很少开展。本研究旨在对陆地棉SPS基因进行全基因组鉴定,并对它们的表达特性进行系统分析。【方法】基于已公布的陆地棉基因组序列,利用生物信息学和荧光定量聚合酶链式反应(Quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)等方法对陆地棉SPS家族基因的蛋白结构、进化关系、基因结构特征、染色体定位、基因复制和表达特性进行分析。【结果】(1)在陆地棉基因组中,共鉴定到10个Gh SPS基因(Gh SPS1-Gh SPS10);(2)Gh SPS蛋白具有植物SPS家族特有的两个保守的蛋白结构域和3个相对保守的蛋白磷酸化位点;(3)进化分析表明,Gh SPS蛋白可聚为A、B和C共3个亚族,其中A亚族成员最多,包含6个GhSPS蛋白;(4)位于同一亚族的GhSPS基因具有相似的外显子-内含子分布模式,但是外显子/内含子数目在不同亚族间差异很大;(5)GhSPS基因均匀地分布在陆地棉A亚组和D亚组的5条染色体上,片段复制可能导致了GhSPS基因在陆地棉基因组中的扩增;(6)转录组分析表明,不同亚族GhSPS基因具有不同的组织表达模式,A亚族Gh SPS基因在被检测的各个组织均有较高的表达,B亚族GhSPS基因主要在叶片中高表达,C亚族Gh SPS基因主要在纤维、叶片和花瓣中高表达;(7)进一步荧光定量PCR分析表明,GhSPS4在叶片中表达量很高,GhSPS1在叶片和花瓣中表达量较高,Gh SPS7和Gh SPS10在被检测的各个组织均有较高的表达,该结果与转录组分析结果相对一致。【结论】陆地棉SPS基因家族包含10个成员,分布在5条染色体上,可分为3个亚族,不同亚族成员呈现出不同的表达模式,为后续深入解析陆地棉SPS家族基因的功能奠定理论基础。

马尾松蔗糖磷酸合酶基因的克隆和表达分析

通过挖掘4个马尾松蔗糖磷酸合酶基因(PmSPS1~PmSPS4),探究SPS基因在马尾松中的表达特性及功能。利用马尾松转录组数据挖掘SPS基因,对基因进行克隆及生物信息学分析,用实时荧光定量PCR检测其在马尾松不同组织、高低产脂种质和低磷胁迫中的相对表达量。结果从马尾松针叶中克隆获得4个SPS基因,开放阅读框(open reading frame, ORF)长度为1 701~3 243 bp,编码566~1 080个氨基酸。进化分析表明,PmSPS1和PmSPS3同属A亚族,PmSPS2和PmSPS4同属B亚族。组织特异性分析发现,PmSPS2和PmSPS4在针叶中表达量最高,PmSPS1和PmSPS3在树皮中表达量最高;PmSPS1和PmSPS3在幼嫩组织和成熟组织表达差异不显著,PmSPS2和PmSPS4在成熟针叶中的表达量显著高于嫩叶(P<0.05),在嫩茎和成熟茎间差异不显著。PmSPS1和PmSPS3的表达量在高、低产脂种质中差异不显著,PmSPS2和PmSPS4在高产脂种质针叶中的表达水平高于低产脂,在高产脂木质部中低于低产脂。低磷胁迫处理后,4个PmSPS基因在针叶中的表达水平均为上调,其中PmSPS2基因表达量最高,达到对照组的3.18倍。综合以上分析结果,克隆得到的4个马尾松SPS基因分布于A、 B亚族中,不同亚族基因呈现出不同的表达特性,为后续深入研究SPS家族基因在马尾松中的功能提供了理论依据。