擴(kuò)展蛋白在果實(shí)成熟過程中的作用研究進(jìn)展

趙美榮，李永春，黃文婕（赤峰學(xué)院　生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古　赤峰　024000）

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擴(kuò)展蛋白在果實(shí)成熟過程中的作用研究進(jìn)展

趙美榮，李永春，黃文婕
（赤峰學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

摘要：擴(kuò)展蛋白是一種調(diào)節(jié)細(xì)胞壁伸展和結(jié)構(gòu)松弛的細(xì)胞壁蛋白，存在于各種植物的果實(shí)中，在果實(shí)成熟過程中發(fā)揮著重要作用.不同的擴(kuò)展蛋白作用不同，其表達(dá)具有時(shí)空效應(yīng)，有些擴(kuò)展蛋白基因僅在果實(shí)膨大期表達(dá)，而有的擴(kuò)展蛋白基因是果實(shí)軟化特異的.不同的擴(kuò)展蛋白作用機(jī)制不同，這與其在果實(shí)成熟過程中的作用密切相關(guān).

關(guān)鍵詞：擴(kuò)展蛋白；果實(shí)；膨大；成熟

果實(shí)成熟過程中，不僅僅有色、香、味等品質(zhì)的變化，還有果實(shí)硬度的變化，果實(shí)軟化往往是一個(gè)標(biāo)志果實(shí)成熟的重要特征，涉及一系列生理生化變化.軟化后的果實(shí)容易受到病菌侵染，且易受到機(jī)械損傷，導(dǎo)致果實(shí)的耐藏性和抗病性下降，貨架期縮短.因此，果實(shí)軟化機(jī)理及其控制一直是各國學(xué)者研究的重點(diǎn).

一般認(rèn)為，果實(shí)軟化是由細(xì)胞壁水解酶，如多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果膠甲酯酶（PME）、纖維素酶等促進(jìn)細(xì)胞壁物質(zhì)的降解，從而引起細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致［1］.然而，利用基因工程改變果實(shí)水解酶活性，果實(shí)依然出現(xiàn)軟化現(xiàn)象.伴隨著擴(kuò)展蛋白的發(fā)現(xiàn)，許多研究表明，擴(kuò)展蛋白與果實(shí)成熟軟化密切相關(guān).Rose等［2］研究發(fā)現(xiàn)，番茄擴(kuò)展蛋白基因LeEXP1在果實(shí)成熟期特異表達(dá)，而且該基因受乙烯的誘導(dǎo). Brummell等［3］利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，增強(qiáng)或抑制LeEXP1的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過量表達(dá)LeEXP1的果實(shí)加速軟化，而抑制LeEXP1表達(dá)的果實(shí)則保持較高的硬度.這些結(jié)果表明，擴(kuò)展蛋白可能在果實(shí)成熟軟化過程中起作用.本文就擴(kuò)展蛋白的作用機(jī)制及其在果實(shí)成熟軟化過程中的作用進(jìn)行了綜述.

1　擴(kuò)展蛋白概述

McQueen-Mason等［4］于1992年從黃瓜（Cucumicsativus）細(xì)胞壁中分離得到了兩種細(xì)胞壁蛋白，CsEXP1和CsEXP2，發(fā)現(xiàn)它們可以在酸性條件下誘導(dǎo)離體細(xì)胞壁的擴(kuò)張生長，因此被命名為“擴(kuò)展蛋白，expansins”.目前已知擴(kuò)展蛋白廣泛存在于雙子葉和單子葉植物中，是調(diào)節(jié)細(xì)胞壁伸展和松弛的細(xì)胞壁蛋白酶.

1.1擴(kuò)展蛋白的基因家族及蛋白結(jié)構(gòu)

擴(kuò)展蛋白是一個(gè)龐大的基因家族，目前，植物擴(kuò)展蛋白主要分為4大類，即expansinA（EXPA）、expansinB（EXPB）、expansin-likeA（EXLA）和expansin-likeB（EXLB）［5］.研究發(fā)現(xiàn)，EXPA在大多數(shù)植物中是最大的一個(gè)擴(kuò)展蛋白家族，在植物界廣泛存在，EXPB在單子葉植物中要比在其它植物種類中多，而EXLA和EXLB目前發(fā)現(xiàn)和研究的較少，至今為止，還沒有證據(jù)表明EXLA和EXLB基因在植物中活躍表達(dá)，其功能尚不清楚［6］.

序列分析表明擴(kuò)展蛋白由250-270個(gè)氨基酸組成，具有三個(gè)結(jié)構(gòu)域［7］.N端是信號肽，由22-25個(gè)氨基酸組成，引導(dǎo)擴(kuò)展蛋白定位于細(xì)胞壁.中間區(qū)域是由120-135個(gè)氨基酸組成的結(jié)構(gòu)域I（domainI），即擴(kuò)展蛋白的催化區(qū)域（catlysis domain，catdom），包含半胱氨酸殘基和HFD（His-Phe-Asp）基序，是擴(kuò)展蛋白的結(jié)構(gòu)特征.C端是結(jié)構(gòu)域II（domainII），由90-120個(gè)氨基酸組成，具一系列保守的色氨酸殘基，主要作用是協(xié)助擴(kuò)展蛋白結(jié)合到細(xì)胞壁上，故是擴(kuò)展蛋白的結(jié)合區(qū)域（cellulose-bindingdomain，CBD）.除掉信號肽之后，成熟的擴(kuò)展蛋白分子量大約在25-28kD之間［8］.

1.2擴(kuò)展蛋白的作用機(jī)制

擴(kuò)展蛋白是一種酶蛋白，但不具有蛋白水解酶、糖基轉(zhuǎn)移酶等的活性.擴(kuò)展蛋白通過打斷細(xì)胞壁纖維素與半纖維素之間的非共價(jià)鍵，促使它們之間相互位移，從而引起細(xì)胞壁伸展，促進(jìn)細(xì)胞的擴(kuò)大［9］.

植物細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和糖蛋白組成，纖維素微纖絲與基質(zhì)多糖之間以及多糖分子之間的結(jié)合是很復(fù)雜的，有些半纖維素分子結(jié)合在纖維素微纖絲表面，也有些半纖維素伸入到纖維素微纖絲的內(nèi)部.擴(kuò)展蛋白既可以打斷多聚糖與纖維素微纖絲表面的結(jié)合，也可以打斷多糖分子之間的結(jié)合，在膨壓引起的機(jī)械壓力作用下，擴(kuò)展蛋白促使細(xì)胞壁多聚體緩慢滑動，產(chǎn)生位移，纖維素微纖絲間的距離拉大，從而使細(xì)胞壁伸展.

除了促進(jìn)細(xì)胞壁伸展以外，擴(kuò)展蛋白還與其他細(xì)胞壁酶相互作用，促進(jìn)細(xì)胞壁的降解［10］.首先，在質(zhì)膜H+-ATP酶作用下，細(xì)胞質(zhì)中的H+泵出細(xì)胞到細(xì)胞壁，降低細(xì)胞壁的pH，即使細(xì)胞壁酸化，從而促使擴(kuò)展蛋白以及其它一些酸依賴性的酶活化.然后，活化的擴(kuò)展蛋白促使纖維素微纖絲表面的基質(zhì)多糖釋放一些短的多糖片段，使微纖絲與基質(zhì)多糖之間相互滑動.接著其它的細(xì)胞壁蛋白發(fā)揮作用，內(nèi)切葡聚糖酶催化基質(zhì)多糖分解成較小的片段，導(dǎo)致了細(xì)胞壁的軟化；內(nèi)切木葡聚糖基轉(zhuǎn)移酶又能重新催化短糖片段連接成長的多糖片段.

2　擴(kuò)展蛋白在果實(shí)成熟軟化過程中的作用

1997年，Rose等［2］發(fā)現(xiàn)了番茄果實(shí)成熟特異性擴(kuò)展蛋白基因，LeEXP1.Rose等［11］利用LeEXP1抗體分別在鱷梨、柿子、獼猴桃、草莓等果實(shí)中也發(fā)現(xiàn)有擴(kuò)展蛋白的表達(dá).近年來，又在荔枝［12］、砂梨［13］、櫻桃［14］等果實(shí)中發(fā)現(xiàn)有擴(kuò)展蛋白基因.由此可見，擴(kuò)展蛋白普遍存在于各種果實(shí)中，可能是果實(shí)生長發(fā)育過程中的作用因子.

不同的擴(kuò)展蛋白行使不同的功能.一方面促進(jìn)細(xì)胞壁的松弛伸展，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長；另一方面參與細(xì)胞壁物質(zhì)的降解，調(diào)控細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化.在果實(shí)中，擴(kuò)展蛋白的表達(dá)往往受到不同發(fā)育階段的調(diào)控，這可能與其行使不同的功能有關(guān).一般可將果實(shí)擴(kuò)展蛋白分為兩大類：一類與果實(shí)的生長膨大有關(guān)，另一類與果實(shí)成熟軟化有關(guān).

2.1擴(kuò)展蛋白與果實(shí)的生長膨大

果實(shí)膨大涉及到細(xì)胞的生長，而細(xì)胞壁是限制生長的主要因素，因此細(xì)胞壁的伸展和松弛是細(xì)胞生長的前提.研究表明，擴(kuò)展蛋白對細(xì)胞壁的伸展活性在果實(shí)生長膨大期發(fā)揮重要作用.Brummell等［3］分析了番茄果實(shí)中擴(kuò)展蛋白基因LeEXP3、LeEXP4、LeEXP5、LeEXP6、LeEXP7的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些基因在番茄果實(shí)生長到綠熟階段有不同程度的表達(dá)，而在成熟果實(shí)中沒有表達(dá)，表明這些基因與果實(shí)的生長膨大有關(guān).草莓果實(shí)的生長與FaEXP3、FaEXP4、Fa-EXP6、FaEXP7等密切相關(guān)［15］.常曉曉等［16］從富平尖柿果實(shí)中克隆到5個(gè)擴(kuò)展蛋白基因，其中CDK-Exp6和CDK-Exp7在果實(shí)膨大期表達(dá).Asha等［17］（2007）研究發(fā)現(xiàn)，香蕉擴(kuò)展蛋白基因MaEXPA4在果實(shí)生長和成熟期均有表達(dá)，可能與果實(shí)膨大有關(guān).龍眼中，5個(gè)擴(kuò)展蛋白基因DlEXP1-5在果實(shí)發(fā)育的不同階段，表達(dá)模式不同，其中，DlEXP1、DlEXP2在果皮和假種皮的快速生長階段高水平表達(dá)，萘乙酸處理后，表達(dá)水平上調(diào)，這些結(jié)果表明，龍眼擴(kuò)展蛋白在其果實(shí)生長過程中起重要作用［18］.

2.2擴(kuò)展蛋白與果實(shí)的成熟軟化

果實(shí)的成熟軟化涉及到細(xì)胞壁物質(zhì)的降解和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化，研究表明，擴(kuò)展蛋白參與調(diào)節(jié)果實(shí)的成熟軟化.大量研究表明，番茄擴(kuò)展蛋白基因LeEXP1是果實(shí)成熟特異性基因，與果實(shí)成熟軟化正相關(guān)［2，3］.Xue等［19］利用Northern雜交技術(shù)分析了番茄果實(shí)中擴(kuò)展蛋白基因LeEXP1、多聚半乳糖醛酸酶基因（PG）以及脂氧合酶基因（LOX）表達(dá)與果實(shí)成熟、乙烯誘導(dǎo)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，在番茄果實(shí)成熟軟化過程中，PG起主要作用，LOX和EXP協(xié)助調(diào)節(jié).Civello等［20］（1999）研究發(fā)現(xiàn)，草莓?dāng)U展蛋白基因FaEXP2的mRNA含量在綠色果實(shí)中很低，伴隨果實(shí)的成熟，豐度增加，成熟后又開始降低，這一結(jié)果進(jìn)一步表明擴(kuò)展蛋白是果實(shí)成熟過程的關(guān)鍵因子.Figueroa等［21］的研究也表明，智利草莓?dāng)U展蛋白基因FaEXP2和FaEXP5與果實(shí)軟化密切相關(guān).Ishimaru等［22］分析了3個(gè)葡萄擴(kuò)展蛋白基因Vlexp1、Vlexp2、Vlexp3的表達(dá)特性，發(fā)現(xiàn)3個(gè)擴(kuò)展蛋白基因與葡萄果實(shí)發(fā)育過程中細(xì)胞分裂、細(xì)胞擴(kuò)大以及果實(shí)成熟相關(guān)，尤其是Vlexp3是果實(shí)成熟特異的.香蕉擴(kuò)展蛋白基因MaEXPA2受乙烯誘導(dǎo)表達(dá)，與果實(shí)成熟高度相關(guān)［17］.

果實(shí)的成熟軟化與乙烯密切相關(guān)，研究表明許多果實(shí)擴(kuò)展蛋白基因受乙烯誘導(dǎo)表達(dá).番木瓜（CaricapapayaL.）是典型的呼吸躍變型果實(shí)，其成熟軟化受乙烯誘導(dǎo)調(diào)控.番木瓜擴(kuò)展蛋白基因VpEXPA2在果實(shí)成熟期表達(dá)，且受到乙烯的誘導(dǎo)［23］.牛艷梅等［24］通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR發(fā)現(xiàn)，Cp-EXP1基因表達(dá)受乙烯調(diào)控，在乙烯處理的果實(shí)中，該基因表達(dá)提前達(dá)到高峰.獼猴桃擴(kuò)展蛋白基因Ad-EXP1和Ad-EXP2的表達(dá)受乙烯上調(diào)，與果實(shí)成熟相關(guān)［25］.孫振營等［26］研究富平尖柿采后果實(shí)軟化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)丙烯處理可促進(jìn)柿果實(shí)成熟軟化，使乙烯釋放量增加和提前，而且擴(kuò)展蛋白基因DKEXP3和DKEXP4的表達(dá)水平增加，其表達(dá)高峰出現(xiàn)早于乙烯出現(xiàn)高峰，表明擴(kuò)展蛋白可能在采后柿子果實(shí)軟化前期起作用.

3　小結(jié)與展望

細(xì)胞壁的伸展和松弛是果實(shí)成熟過程中重要的生理反應(yīng).擴(kuò)展蛋白作為細(xì)胞壁蛋白，與其他細(xì)胞壁酶蛋白相互協(xié)作，在細(xì)胞壁伸展及結(jié)構(gòu)松弛方面起著重要作用.果實(shí)的逐漸膨大往往伴隨著特定擴(kuò)展蛋白基因的表達(dá)，而果實(shí)的成熟軟化也需要擴(kuò)展蛋白的積累，且擴(kuò)展蛋白的表達(dá)和果實(shí)成熟激素乙烯密切相關(guān).通過擴(kuò)展蛋白的積累，調(diào)節(jié)細(xì)胞壁的組分，促進(jìn)細(xì)胞壁松弛伸展，加速細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化，從而有利于果實(shí)膨大，加快果實(shí)的軟化成熟.擴(kuò)展蛋白為調(diào)控果實(shí)成熟軟乎進(jìn)程提供了新的思路，對果實(shí)運(yùn)輸和貯藏具有一定的意義.然而，擴(kuò)展蛋白是一個(gè)多基因家族，不同的擴(kuò)展蛋白作用不同，具體作用機(jī)制還不清楚，在果實(shí)成熟過程中如何發(fā)揮作用還需要進(jìn)一步深入研究.

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中圖分類號：Q945.78

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）06-0011-03

收稿日期：2016-02-20

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金（2013MS0502）

通訊作者：趙美榮，1981-，女，講師.主要研究方向：植物抗逆生理研究