高等植物ACC合成酶基因研究進(jìn)展

摘 要：主要對(duì)高等植物ACC合成酶基因克隆及表達(dá)調(diào)控等方面進(jìn)行綜述，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：乙烯；ACC合成酶；基因克??；表達(dá)調(diào)控

中圖分類(lèi)號(hào)：Ｑ７８ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2013.02.00７

Review on Researching Advance in ACC Synthase Genes in Higher Plants

LIU Li

（Liaoning Ｋey Ｌab of Plant Biotechnology，School of Life Science，Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116082， China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： This paper made a review mainly focus on the progress in cloning and regulation of ACC synthase genes and their use in the future.

Key words： ethylene； ACC synthase； gene cloning； gene regulation

乙烯參與調(diào)節(jié)高等植物生長(zhǎng)發(fā)育的許多過(guò)程，如種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)發(fā)育、葉片和花器官的衰老、果實(shí)成熟等。同時(shí)，乙烯在植物應(yīng)對(duì)逆境脅迫，如機(jī)械傷害、冷害、干旱、病原菌入侵等過(guò)程中都起到了引發(fā)植物耐受或抵抗逆境的生理生化以及基因表達(dá)等方面變化的作用。

ACC合成酶（1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶，ACS）是乙烯生物合成過(guò)程中能催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）的關(guān)鍵限速酶，它在植物組織內(nèi)活性往往決定著乙烯產(chǎn)生的速率。因而調(diào)控ACC合成酶基因的表達(dá)就能有效控制植物成熟衰老和植物對(duì)逆境脅迫耐受能力。近些年來(lái)ACC合成酶已經(jīng)成為研究乙烯的重點(diǎn)，因此，筆者主要綜述了高等植物ACC合成酶基因的克隆及表達(dá)調(diào)控方面的研究進(jìn)展，期望能為通過(guò)現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)調(diào)控植物成熟衰老和植物抗逆脅迫提供一些有價(jià)值的信息。

1 ACC合成酶基因克隆的研究進(jìn)展

人們最早是在番茄的果皮組織中發(fā)現(xiàn)的ACC合成酶的[1]，但最先從夏南瓜中分離得到編碼ACC合成酶的基因[2]，而Straeten等[3]從番茄果實(shí)cDNA文庫(kù)中分離到第一個(gè)ACC合成酶基因序列。隨著科學(xué)研究的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)從許多植物中都克隆到了ACC合成酶基因，如水稻[4]、辣椒[5]、獼猴桃[6]、小麥[7]、小西葫蘆[8]、桃[9]、菠蘿[10]、鱷梨[11]、柿[12]、薄皮甜瓜[13]、李[14]、蘋(píng)果[15]、牽牛花[16]等。在克隆的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)幾乎每種植物中的ACC合成酶基因都不止一個(gè)，迄今為止在研究中發(fā)現(xiàn)番茄中至少有9個(gè)[17]，綠豆中有6個(gè)，水稻和土豆中有5個(gè)，李中有4個(gè)[10]，而西葫蘆、筍瓜和小麥中有2個(gè)，這表明ACC合成酶基因是多基因家族編碼。比較已發(fā)表的ACS基因核苷酸序列，發(fā)現(xiàn)所有已知高等植物的ACS多基因家族區(qū)內(nèi)的DNA序列都有大約60%的同源性，一般含有2、3或4個(gè)內(nèi)含子，mRNA的分子量在1.8～2.1 kb左右，蛋白的同源性在50%～95%[18]，其中，蛋白序列中部的同源性最高，而C端的差異最大[19]。

2 ACC合成酶基因的表達(dá)研究進(jìn)展

2.1 ACC合成酶基因表達(dá)的誘導(dǎo)因子

研究表明，植物組織中的ACS含量很低且極不穩(wěn)定，但是ACS基因在各種植物激素、環(huán)境脅迫等誘導(dǎo)因子的誘導(dǎo)下可進(jìn)行大量表達(dá)，而且有些基因還受植物生長(zhǎng)發(fā)育不同階段的誘導(dǎo)表達(dá)。已報(bào)道的能夠誘導(dǎo)ACS基因的植物激素主要有生長(zhǎng)素、乙烯、細(xì)胞分裂素、赤霉素和脫落酸等[ 18]，不同的植物激素或同種植物激素影響各ACS基因差異表達(dá)。例如乙烯和生長(zhǎng)素都能夠誘導(dǎo)甘蔗Sc2ACS1， Sc2ACS2， Sc2ACS3的表達(dá)上調(diào)[20-21]；乙烯可誘導(dǎo)增強(qiáng)月季RnACS1和RnACS3的表達(dá)，但后者增強(qiáng)的程度遠(yuǎn)大于前者 [22]。同樣的，一些環(huán)境脅迫因子，如低氧、機(jī)械傷害、漬水、干旱、光溫、高鹽、臭氧、病害和蟲(chóng)害等也均能誘導(dǎo)ACS基因的表達(dá)。蘋(píng)果MdACS5可以被機(jī)械損傷誘導(dǎo)[23]，甘蔗Sc2ACS1對(duì)冷脅迫、暗培養(yǎng)和Licl脅迫均有應(yīng)答[20]，病原體感染、臭氧、Cu2+的毒害等脅迫刺激可誘導(dǎo)馬鈴薯葉片ACS4和ACS5基因的表達(dá)[24]，這些ACS基因表達(dá)可以為各類(lèi)環(huán)境刺激因子所調(diào)控的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，乙烯確實(shí)參與了植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中抵抗逆境脅迫的一系列防御信號(hào)反應(yīng)。在自然條件下，植物ACS基因也可受生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段，如開(kāi)花、傳粉、果實(shí)成熟、衰老等過(guò)程的誘導(dǎo)表達(dá)。呼吸越變型果實(shí)類(lèi)植物如番茄、梨、蘋(píng)果、香蕉等果實(shí)成熟時(shí)可檢測(cè)到ACS高效表達(dá)[18]。在番茄克隆得到的9個(gè)ACS基因中，番茄的LEACS2和LEACS4在果實(shí)成熟時(shí)被誘導(dǎo)大量表達(dá)，特別是LEACS2被誘導(dǎo)后便促進(jìn)乙烯自動(dòng)催化并引發(fā)呼吸高峰[25]。

2.2 ACC合成酶基因表達(dá)的特異性

同種植物中的不同ACS基因在表達(dá)時(shí)大多存在器官表達(dá)特異性差異、時(shí)空表達(dá)特異性差異、轉(zhuǎn)錄水平上的差異等。研究發(fā)現(xiàn)在番茄的ACS基因家族中，LEACS2主要在果實(shí)、衰老的花、病原感染的葉片和水淹的根中表達(dá)，而LEACS4只在果實(shí)中表達(dá)[24]。在研究麝香石竹ACS基因時(shí)發(fā)現(xiàn)，在花柱中優(yōu)先表達(dá)的是ACS2和ACS3，而在花瓣中表達(dá)較多的是ACS1。植物ACS基因器官表達(dá)特異性差異表明這個(gè)基因主要在植物的生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官上表達(dá)，生殖器官中花和果實(shí)均有表達(dá)，花中子房表達(dá)最強(qiáng)烈，而果實(shí)的中柱組織表達(dá)最強(qiáng)烈，營(yíng)養(yǎng)器官中葉片和根部的表達(dá)效果最好[18]。臭氧處理過(guò)的馬鈴薯葉片在1 h可誘導(dǎo)ACS5基因的表達(dá)，2 h才檢測(cè)到有ACS4基因的表達(dá)；而用Cu2+處理葉片時(shí)，結(jié)果0.5 h便可檢測(cè)到ACS5基因的大量表達(dá)，2 h后才檢測(cè)到ACS4基因的表達(dá)[26]。研究表明，多數(shù)ACS基因的轉(zhuǎn)錄受到調(diào)節(jié)。番茄ACS基因家族的各成員轉(zhuǎn)錄水平存在很大差異，不同的因素或條件可誘導(dǎo)家族中的不同成員表達(dá)，并且表達(dá)的各成員的轉(zhuǎn)錄水平高低也存在很大差別[27]。衰老的香石竹花的雌蕊部分的ACC合成酶的活性較高，但ACS基因轉(zhuǎn)錄合成的mRNA卻保持很低的水平，這說(shuō)明ACS基因的轉(zhuǎn)錄水平和ACS酶活水平的變化并不一定一致，也就是說(shuō)ACS基因的轉(zhuǎn)錄水平并不能反映該酶的活性水平，表明傷害導(dǎo)致ACS酶活性增強(qiáng)是由于該酶的基因在轉(zhuǎn)錄水平上受到調(diào)節(jié)。

3 轉(zhuǎn)ACC合成酶基因表達(dá)調(diào)控的研究進(jìn)展

植物學(xué)家和育種家近些年將通過(guò)調(diào)控乙烯的合成過(guò)程來(lái)獲得所需要的植物新品種作為研究的重點(diǎn)，而ACC合成酶更是成為研究重點(diǎn)中的熱點(diǎn)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是一種調(diào)控植物ACC合成酶基因表達(dá)的有效方法，通過(guò)這種方法可以得到改良的新品種。

1991年，Oeller等將ACC合成酶的cDNA反義系轉(zhuǎn)入番茄從而成功獲得成熟受阻的轉(zhuǎn)基因植株，由于轉(zhuǎn)基因植株中的乙烯生物合成過(guò)程受到ACS基因反義表達(dá)的破壞，造成這種番茄的成熟期被推遲，而外用乙烯又可以恢復(fù)其正常成熟，目前這項(xiàng)技術(shù)已投入到商業(yè)生產(chǎn)[28]，例如培養(yǎng)轉(zhuǎn)入反義ACS基因的番茄子葉得到的純合轉(zhuǎn)基因植株，其果實(shí)的成熟衰老會(huì)受到抑制，主要表現(xiàn)在：果實(shí)硬度大而不紅、無(wú)香氣，當(dāng)用乙烯處理后，果實(shí)就會(huì)成熟變軟，其色澤、質(zhì)地、芳香與正常果實(shí)無(wú)異，這種轉(zhuǎn)基因番茄由于具有耐貯保鮮性而具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[29]。在其他的植物中也有利用ACS的反義基因控制果實(shí)成熟，如蘋(píng)果[30]等。將康乃馨的反義ACS基因通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)入煙草，會(huì)明顯增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)非生物脅迫的耐受能力[31]，這表明ACS基因在應(yīng)對(duì)逆境脅迫方面具有重要的調(diào)控作用。此外，也有正義表達(dá)，利用同源共抑制現(xiàn)象控制內(nèi)源乙烯合成，通過(guò)共抑制轉(zhuǎn)基因的方法能使菠蘿ACC合成酶基因表達(dá)下調(diào)，推遲菠蘿花期 [32]。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多植物中的ACC合成酶基因被克隆出來(lái)，而且有的已經(jīng)通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)入到了不同的物種中調(diào)控ACC合成酶基因的表達(dá)。但是研究較深入的基因大多是從模式植物或是從果實(shí)植物中獲得，特別是與果實(shí)成熟相關(guān)的ACS基因，但關(guān)于哪個(gè)是果實(shí)成熟的最關(guān)鍵的ACC合成酶基因卻還不是十分清楚，而且關(guān)于ACS基因在植物抗逆方面的作用的研究較少。今后，需要進(jìn)一步從分子生物學(xué)水平上深入研究ACC合成酶基因的表達(dá)及其調(diào)控，為利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)培養(yǎng)耐貯藏的果實(shí)新品種和培養(yǎng)抗逆作物提供理論依據(jù)。

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