多胺生物合成途徑中兩個關(guān)鍵酶基因研究進展

呂煥青王志敏湯青林田時炳王永清宋明

（1. 西南大學園藝園林學院 南方山地園藝學教育部重點實驗室 重慶市蔬菜學重點實驗室，重慶 400715；2. 重慶市農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉所，重慶 400055）

多胺生物合成途徑中兩個關(guān)鍵酶基因研究進展

呂煥青1王志敏1湯青林1田時炳2王永清2宋明1

（1. 西南大學園藝園林學院 南方山地園藝學教育部重點實驗室 重慶市蔬菜學重點實驗室，重慶 400715；2. 重慶市農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉所，重慶 400055）

多胺是一類小分子生物活性物質(zhì)，廣泛存在于生物體內(nèi)，與植物的生長發(fā)育、衰老及抗逆性都有著密切的聯(lián)系。就多胺合成途徑中的兩個關(guān)鍵酶基因，即S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因（SAMS）和S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶基因（SAMDC）的克隆、表達，以及轉(zhuǎn)S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因（SAMS）和轉(zhuǎn)S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶基因（SAMDC）表達調(diào)控等方面的研究進行回顧總結(jié)，并對其應(yīng)用前景進行展望。

多胺；SAMS；SAMDC；基因克?。槐磉_調(diào)控

多胺（Polyamines，Pas）是一類低分子量、聚陽離子、脂肪族含氮物質(zhì)，廣泛存在于生物細胞中。植物體中的多胺主要以腐胺（Put）、亞精胺（Spd）、精胺（Spm）和尸胺（Cad）等形式存在，其參與植物的生長發(fā)育，包括植物生長、花芽分化、胚胎發(fā)育等，同時還對各種環(huán)境脅迫如鹽脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫等產(chǎn)生響應(yīng)。此外，多胺還參與一系列的生化過程，包括DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、膜穩(wěn)定、RNA和蛋白質(zhì)的翻譯等［1］。

S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adenosylmethionine synthetase，SAMS）和S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶（S-adenosylmethionine decarboxylase，SAMDC）都是植物多胺合成過程中的限速酶，在多胺合成途徑中，S-腺苷甲硫氨酸合成酶催化甲硫氨酸與ATP 生物合成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），S-腺苷甲硫氨酸經(jīng)過S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶（SAMDC）催化，生成脫羧SAM，由Put與脫羧的SAM提供的氨丙基合成Spd和Spm，此反應(yīng)是由特定的氨丙基轉(zhuǎn)移酶催化，即亞精胺合成酶和精胺合成酶，由此可知在多胺合成途徑中SAM和SAMDC都是合成Spd和Spm的關(guān)鍵酶［2］。由于這兩種酶的重要生物學功能，并發(fā)現(xiàn)存在多種類型的SAMS基因和SAMDC基因，多種植物中SAMS基因和SAMDC基因的cDNA已被克隆出來，它們均由一個多基因家族所編碼，共同調(diào)控多胺的合成速率。本研究主要從SAMS和SAMDC的基因克隆、表達調(diào)控方面等方面，對近年來SAMS基因和SAMDC基因的研究進行回顧總結(jié)，期望能為SAMS基因和SAMDC基因在植物中的抗性及其它功能的研究提供一些參考。

1 多胺生物合成酶基因SAMS和脫羧酶基因SAMDC的克隆研究現(xiàn)狀

1.1 SAMS基因克隆研究現(xiàn)狀

SAMS最早被Cantoni［3］于1953年發(fā)現(xiàn)，之后人們開始對SAMS展開研究。隨著科學研究的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)從許多植物中都克隆到了SAMS基因，如甘蔗［4］、石蒜［5］、杯萼海桑［6］、向日葵［7］、玉米［8］、無芒隱子草［9］、擬南芥［10］等。在克隆的過程中發(fā)現(xiàn)，幾乎每種植物中的SAMS基因都不止一個，如發(fā)現(xiàn)玉米中有4個SAMS基因［7］、擬南芥中有4個SAMS基因［10］、番茄中至少有3個SAMS基因［11］、香蕉［12］和煙草［13］中至少有2個SAMS基因?？梢姡琒AMS基因由一個多基因家族所編碼，在每種植物中可能同時有幾個拷貝的SAMS基因存在，而且它們的表達方式也各不相同。將已經(jīng)克隆得到SAMS基因序列進行對比發(fā)現(xiàn)［4，5，7］，該基因一般沒有內(nèi)含子，并發(fā)現(xiàn)已知植物SAMS基因的核苷酸序列同源性較高。SAMS基因蛋白均具有典型的結(jié)構(gòu)，含有3個結(jié)構(gòu)域：N端結(jié)構(gòu)域、中間結(jié)構(gòu)域、C端結(jié)構(gòu)域，N端結(jié)構(gòu)域和中間結(jié)構(gòu)域分別具有4個折疊和2個螺旋，C端結(jié)構(gòu)與前兩個的差別是最后的折疊變成了螺旋，并且中間的一個螺旋變成兩個小螺旋［14］。

1.2 SAMDC基因克隆研究現(xiàn)狀

SAMDC最早被Tabor［15］于1962年發(fā)現(xiàn)，之后人們開始對SAMDC展開研究。隨著科學研究的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)從許多植物中都克隆到了SAMDC基因，如擬南芥［16］、水稻［17］、番茄［18］、百脈根［19］、羊草［20］、棉花［21］、杜梨［22］、甘蔗［23］等。在克隆的過程中發(fā)現(xiàn)，幾乎每種植物中的SAMDC基因都不止一個，如擬南芥中有4個SAMDC基因［17］、 水稻中有4個SAMDC基因［17］、番茄中有3個SAMDC基因［18］，羊草中至少有2個SAMDC基因［20］?？梢?，SAMDC基因也由一個多基因家族所編碼，在每種植物中可能同時有幾個拷貝的SAMDC基因存在，而且它們的表達方式也各不相同。將已經(jīng)克隆得到的SAMDC基因序列進行對比發(fā)現(xiàn)［24］，植物中的SAMDC基因在主要開放閱讀框（main-ORF）內(nèi)沒有內(nèi)含子，而5'非編碼區(qū)前導序列中有內(nèi)含子，并發(fā)現(xiàn)已知植物SAMDC基因的核苷酸序列同源性較高，所推導的氨基酸序列相似度也較高。

2 SAMS基因和SAMDC基因的表達研究

2.1 SAMS基因和SAMDC基因表達的誘導因素

研究表明，植物組織中的SAMS基因和SAMDC基因含量低且不穩(wěn)定，但是有的SAMS基因和SAMDC基因是組成型表達，而有些卻是受植物激素和一些環(huán)境因子所調(diào)控。在植物發(fā)育的不同階段中，一些SAMS基因和SAMDC基因的mRNA水平會發(fā)生顯著的變化。

SAMS基因和SAMDC基因的表達受植物激素及其它制劑的影響。如黃瓜在外源亞精胺介導鹽脅迫下黃瓜幼苗SAMS基因出現(xiàn)表達差異［25］；Zn脅迫下，小麥SAMS代謝途徑關(guān)鍵基因表達出現(xiàn)差異［26］；甘蔗SAMS基因在聚乙二醇（PEG）、NaCl非生物脅迫下均被誘導表達［4］，在H2O2脅迫下其表達被抑制；石蒜的SAMS基因在NaCl脅迫下誘導出現(xiàn)表達差異。擬南芥中有4個SAMDC基因，其中SAMDC1和SAMDC2特異地受ABA的誘導表達［16］；研究甘蔗SAMDC基因在PEG和NaCl處理下的表達特異［23］。

一些環(huán)境脅迫因子，主要包括鹽脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫等都能誘導SAMS基因和SAMDC基因的差異表達。研究發(fā)現(xiàn)甘蔗中SAMS基因能夠在低溫條件下誘導表達，但表達模式不同［4］；玉米中的4個SAMS基因在鹽脅迫下表現(xiàn)出不同的表達模式，其中SAMS2基因和SAMS4基因的表達受鹽脅迫的誘導［8］；無芒隱子草SAMS1基因受干旱脅迫的誘導表達［9］。擬南芥中SAMDC基因也能夠在低溫和干旱迫條件下誘導表達［16］；棉花的SAMDC的基因表達受低溫誘導［21］。

2.2 SAMS基因和SAMDC基因表達的特異性

不同植物的SAMS基因和SAMDC基因表達研究發(fā)現(xiàn)，其基因的表達具有組織器官和時空特異性，說明不同植物的SAMS基因和SAMDC基因在植物體內(nèi)參與了不同的反應(yīng)，調(diào)節(jié)著不同的代謝過程。研究玉米正常植株中除了SAMS1基因外，其余的3個合成酶基因在根和莖中的表達量比葉中表達量多［8］；甘蔗SAMS基因為組成型表達，在根中的表達量最高，是葉中表達量的3.6 倍［4］。百脈草SAMDC基因在根、莖、幼葉3個組織中均有轉(zhuǎn)錄表達，但是所表達的RNA水平不同，其在幼葉和根中的表達量較高，在莖中的表達量較低，而在成熟葉片中不表達［19］；在低溫脅迫條件下，棉花新陸早1號中，低溫處理后0.5 min后SAMDC基因表達量已有下降趨勢，30 min內(nèi)SAMDC基因表達量已完成多次升降變化；新陸早33號中，低溫處理后10 min內(nèi)，SAMDC基因表達量呈下降趨勢，10 min至30 min開始緩慢上升［21］。

3 轉(zhuǎn)SAMS基因和SAMDC基因表達調(diào)控的研究

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是調(diào)控植物SAMS基因和SAMDC基因表達的一種有效方法，通過這種方法可得到植物某些生理特性改良的新品種。利用植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)術(shù)改變多胺代謝酶活性從而研究多胺的生理功能，因而可用于轉(zhuǎn)基因植物抗逆能力的改良。如將從野生大豆中克隆得到的SAMS基因通過農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)入煙草中，其絕大部分生理指標不同程度的優(yōu)于對照煙草，這表明來源于野生大豆的SAMS基因具有提高植物抗低溫、干旱和耐鹽等逆境的作用［27］；又有研究將從鹽地蓬堿克隆得到的SAMS基因通過農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)入煙草中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草中SAMS基因超表達明顯增強煙草的耐鹽性［28］。將從辣椒中克隆得到的SAMDC基因通過農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)入擬南芥中，在干旱脅迫條件下，其Spm和Spd的含量優(yōu)于野生擬南芥，這表明來源于辣椒SAMDC基因具有提高植物抗旱作用［16］；通過干擾RNA產(chǎn)生抑制Os-SAMDC2基因表達得到的轉(zhuǎn)基因水稻，將轉(zhuǎn)基因水稻與野生型水稻相比，Os-SAMDC2表達的抑制導致了Os-SAMDC1基因和Os-SAMDC4基因的轉(zhuǎn)錄含量、Spm、Spd和多胺氧化酶（Polyamine oxidase，PAO）的含量均下降，從而證實Os-SAMDC2基因?qū)χ参镎ＩL、花粉活力、結(jié)實率、籽粒產(chǎn)量、非生物脅迫耐受性與精胺和亞精胺含量呈正相關(guān)關(guān)系，同時表明Os-SAMDC2基因能促進植物生長，增強植物的抗性［17］。

4 展望

隨著SAMS和SAMDC在越來越多的植物中被研究應(yīng)用，SAMS和SAMDC的相關(guān)基因也陸續(xù)被克隆出來，有些已經(jīng)通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)入到了不同的物種中用于調(diào)控SAMS和SAMDC基因的表達。目前關(guān)于SAMS的研究多與植物體的抗性有關(guān)，而關(guān)于植物果實發(fā)育及成熟方面的研究較少，而對SAMDC的研究主要集中在利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改變多胺代謝酶活性從而研究多胺的生理功能方面。因此，今后需要進一步從分子生物學角度深入研究SAMS和SAMDC及其相關(guān)基因的表達調(diào)控，從而為利用現(xiàn)代技術(shù)培養(yǎng)抗逆植物以及調(diào)控植物果實發(fā)育和貯藏相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

［1］Crop Improvement// Wimalasekara R， Scherer GFE. Dealing with environmental stresses：role of polyamines in stress responses［M］. US：Springer US， 2013：459-483.

［2］Pegg AE. S-Adenosylmethionine decarboxylase［J］. Essays Biochem， 2009， 46：25-46.

［3］Cantoni GL. S-adenosylmethionine：a new intermediate form ed enzymatically from L-methionine and adenosine triphosphate［J］. J Biol Chem， 1953， 204（1）：403-416.

［4］宋修鵬， 張保青， 黃杏， 等. 甘蔗S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因（ScSAM） 的克隆及表達［J］. 作物學報， 2014， 40（6）：1002-1010.

［5］Li XD， Xia B， Wang R， et al. Molecular cloning and characterization of S-adenosylmethioninesynthetase gene from Lycoris radiate［J］. Mol Biol Rep， 2013， 40（2）：1255-1263.

［6］吳秋紅， 張自德， 王峰. 紅樹植物杯萼海桑SAMS 基因的克隆與生物信息學分析［J］. 廣西植物， 2013， 33（6）：846-851.

［7］周向紅， 王萍. 向日葵S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因克隆與分析［J］. 作物雜志， 2011， 6：10-13.

［8］朱晶瑩， 王寒玉， 張晏萌， 等. 玉米S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因家族成員在鹽脅迫條件下的表達差異［J］. 核農(nóng)學報， 2011，25（3）：427-431.

［9］孔令芳， 張吉宇， 劉志鵬， 等. 無芒隱子草SAMS1基因的克隆及干旱脅迫下的表達分析［J］. 草業(yè)學報， 2013， 22（1）：268-275.

［10］ Dulger S， Demirbag Z， Belduz AO. Anoxybacillus ayderensis sp. nov. and Anoxybacillus kestanbolensis sp. Nov［J］. InternationalJournal of Systematic and Evolutionary Microbiology， 2004， 54（5）：1499-1503.

［11］ Espartero J， Pintor-Toro JA， Pardo JM. Differential accumulation of S-adenosylmethionine synthetase transcripts in response to salt stress［J］. Plant Mol Biol， 1994， 25（2）：217-227.

［12］賈彩紅， 林水玉， 張建斌， 等. 香蕉中一個新的S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因的克隆及采后表達分析［J］. 果樹學報， 2009，26（3）：329-333.

［13］余濤， 支立峰， 彭論， 等. 煙草中一條新的S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因的克隆及表達分析［J］. 武漢植物學研究， 2004， 22（4）：277-283.

［14］鞠妍， 候和勝. SAM合成酶基因的研究進展與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.天津農(nóng)業(yè)科學， 2012， 18（6）：27-29.

［15］Tabor CW. Adenosylmethionine decarboxylase ［J］. Elsevier，1962， 5：756-760.

［16］Wi SJ， Kim SJ， Kim WT， et al. Constitutive S-adenosylmethionine decarboxylase gene expression increases drought tolerance through inhibition of reactive oxygen species accumulation in Arabidopsis［J］. Planta， 2014， 239（5）：979 -988.

［17］Chen M， Chen JJ， Fang JY， et al. Down-regulation of S-adenosylmethionine decarboxylase genes results in reduced plant length， pollen viability， and abiotic stress tolerance［J］. Plant Cell Tiss Organ Cult， 2014， 116（3）：311-322.

［18］Sinha R， Rajam MV. RNAi silencing of three homologues of S-adenosylmethionine decarboxylase gene in tapetal tissue of tomato results in male sterility［J］. Plant Molecular Biology，2013， 82（2）：169-180.

［19］Lu YL， Sun YX， Xue F， et al. Cloning and expression analysis of S-adenosylmethionine decarboxylase gene from Lotus corniculatus L.［J］. Acta Agriculturae Boreali-Sinica， 2013， 28（2）：78-85.

［20］Peng XJ， Zhang LX， Zhang LX， et al. The transcriptional factor LcDREB2 cooperates with LcSAMDC2 to contribute to salt tolerance in Leymus chinensis［J］. Plant Cell， 2013， 113（2）：245-256.

［21］耿衛(wèi)東， 李艷軍， 張新宇， 等. 棉花S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶基因的克隆及低溫下的表達分析［J］. 作物學報， 2012， 38（9）：1649-1656.

［22］張梅， 王然， 馬春暉， 等. 杜梨S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶基因的克隆與生物信息學分析［J］. 華北農(nóng)學報， 2013， 28（1）：82-87.

［23］劉金仙， 闕友雄， 郭晉隆， 等. 甘蔗S-腺苷蛋氨酸脫羧酶基因Sc-SAMDC 的克隆和表達分析［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學， 2010， 43（7）：1448-1457.

［24］張佳麗， 丁淑麗， 鄒怡靜， 等. 植物腺苷甲硫氨酸脫羧酶研究進展［J］. 細胞生物學雜志， 2008， 30（5）：622-628.

［25］李斌， 郭世榮， 孫錦， 等. 外源Spd 對鹽脅迫下黃瓜SAMs 基因表達的影響及SAMs蛋白的生物信息學分析［J］. 園藝學報，2011， 38（12）：2289-2296.

［26］柴興蘋， 張玉秀， 譚金娟， 等. Zn脅迫下小麥S-腺苷甲硫氨酸代謝途徑關(guān)鍵基因表達模式分析［J］. 植物生理學報，2013， 49（4）：375-384.

［27］樊金萍， 柏錫， 李勇. 野生大豆S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因的克隆及功能分析［J］. 作物學報， 2008， 34（9）：1581-1587.

［28］Qi YC， Wang FF， Zhang H， et al. Overexpression of suadea salsa S-adenosylmethionine synthetase gene promotes salt tolerance in transgenic tobacco［J］. Acta Physiol Plant， 2010， 32：263-269.

（責任編輯 狄艷紅）

Polyamine Biosynthesis Enzyme Research Progress in Two Key Genes

Lü Huanqing1Wang Zhimin1Tang Qinglin1Tian Shibing2Wang Yongqing2Song Ming1
（1. College of Horticulture and Landscape Architecture，Southwest University；Key Laboratory of Horticulture Science for Southern Mountainous Regions，Ministry of Education；Chongqing Key Laboratory of Olericulture，Chongqing 400715；2. The Institute of Vegetables and Flowers，Chongqing Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 400055）

Polyamine is an important physiological regulation substance functioning in a wide variety of biological processes， such as plant growth， development， senescence and adversity stress tolerance， which widely exist in all living organisms. S-adenosylm ethionIne synthetase gene（SAMS） and S-adenosylmethionine decarboxylase gene（SAMDC） are the two key genes in the polyamine synthesis pathway. This paper summarized the gene cloning， expression and transgenic expression regulation of SAMS and SAMDC， and other aspects also reviewed. Its application prospect was discussed in the end.

polyamine；SAMS；SAMDC；gene clone；expression regulation

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.02.008

2014-07-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（XDJK2014C092），國家農(nóng)業(yè)部“大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系——茄子育種崗位”項目（ARS-25-13C1）

呂煥青，碩士研究生，研究方向：蔬菜遺傳育種與生物技術(shù)；E-mail：lhqcx@163.com

宋明，教授，碩士生導師，研究方向：蔬菜遺傳育種與生物技術(shù)；E-mail：swausongm@163.com田時炳，男，研究員，研究方向：蔬菜遺傳育種與生物技術(shù)；E-mail：tiansbing@yahoo.com.cn