海藻糖的生物合成在植物中的作用1

海藻糖的生物合成在植物中的作用
海藻糖在植物中的作用是非同寻常的。

起初海藻糖被认为充当渗透保护剂的作用，但它在植物中极低的含量使这种作用不可能。

这个月的《高冲击》中有一篇题目为《拟南芥海藻糖-6-磷酸合成酶活性暨AtTPS1基因是一种血糖调节物、脱落酸、和压力信号物》的文章出现在2004年11月的这期,从而增加了越来越多的证据证明在植物中不是海藻糖本身，而更有可能是一种合成途径媒介或者是合成途径中的一种酶在植物中起关键作用。

背景
海藻糖(a-D-吡喃葡萄糖基-1,1-a-D-葡萄吡喃糖烯丙基苷)是一种通过一个1-1α-邦德连接两个葡萄糖苷结构单元形成的非还原二糖。

各种各样的生物体包括植物、真菌、细菌、无脊椎动物合成这种化合物。

海藻糖是昆虫中主要的血糖并且是一种主要的飞行能量储存分子。

，一般认为在这些植物中积累的海藻糖帮助植物在长期干旱时存活。

然而，很少例外，这不可能是一个源于海藻素本身的直接作用，因为只有微量的海藻素出现在被子植物中。

最近的研究为海藻糖前体物定义了一个作用，海藻糖-6-磷酸尤其是在植物糖涌入和新陈代谢过程中，充当调控分子的作用（审查，参阅Eastmong和Graham,2003）。

在AtTPS1基因上有插入物的拟南芥(Arabidopsis thaliana)植物不能发育为成熟胚芽，最近研究海藻糖生物合成途径在胚芽成熟和发育中的重要性时发现，T6P可以引起催化淀粉合成第一个关键步骤酵素二磷酸腺苷-葡萄糖磷酸化酶的氧化还原激活(Kolbe 等,2005)。

同时，T6P已经确认是一种可以增强光合作用能力的关键分子因而为农学家提供了一个长期寻求的梦想：农作物生物量的提高（Pellny等，2004）。

多样的海藻糖生物合成途径已经在细菌和古细菌中被发现，但是迄今为止在真核生物中只检测发现到一个途径（Avonce等，2006）。

真核生物的途径与植物的复合成途径有很多相似之处（审查，参阅Goddijn和van Dunn,1999）。

在第一个步骤中，二磷酸尿苷-葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸由T6P 合成酶（TPS）连接形成T6P。

磷酸基被T6P磷酸酶（TPP）拆下，形成海藻糖。

海藻糖随后由海藻糖酶分解成两分子的葡萄糖。

在拟南芥中，11分子的TPS和10分子的TPP出现，然后似乎全部在一个组织特异性表达然后发展地控制合成方式（Avonce等，2006）。

AtTPS基因也在提高葡萄糖的条件下差异表达（Price等，2004），进一步强调了中间合成产物T6P的潜在价值。

结果
在Avonce等在2004年的研究中发现，AtTPS1,拟南芥11TPS基因之一，在35S启动子的控制下在拟南芥中是过分表达的。

尽管这些植物比野生型有更高水平的AtTPS1信使RNA和蛋白质的积累，海藻糖却没有明显的积累。

这个现象与在烟草（红花烟草；Goddijn等，1997）和拟南芥（Schluepmann等，2003）表达细菌TPS1的早期研究中看到的一样。

T6P,暨合成中间物和TPS产物，被发现在这些植物中比在野生型植物中含量更高。

在AtTPS1过分表达的植物中发现耐旱性也相对于野生型有所增加。

转基因株系有比野生型相对更高的含水量，而且，不像野生型，转基因株系在恢复到正常水文的条件后缺水两个星期仍可以恢复。

作者注意到，因为海藻糖在这些植物中没有高水平的积累，所以耐旱性的增加不可
能是由于一个海藻糖的直接效应而更有可能是由于与AtTPS1过分表达相关的其他改变。

与先前植物过分表达细菌或酵母的TPS1基因会有形态学改变的研究相反，AtTPS1的过分表达没有引起除花期延长之外的其他形态学变化。

AtTPS1和细菌或酵母TPS1的一个主要区别N末端和C末端区域同时或单独出现也许可以解释这些研究的不同。

先前的研究已经证明AtTPS1的N 末端区域的删除会引起更高的酶的催化活性（Van Dijck 等2002）。

在AtTPS1过分表达植物中观察到一个葡萄糖不敏感表现型，使种子在补充了6%葡萄糖的MS培养基上发芽，但野生型种子在相同的条件下发芽率很低。

这个组把上述观察作为一个基础来研制出一个把AtTPS1用作选择性的标记物来得到转基因植物因此避免了抗生素的应用的方法（Leyman等，2006）。

当种子在不同浓度的脱落酸中萌发时，比野生型种子发芽的AtTPS1过分表达的种子越多，表明种子对脱落酸也迟钝。

使芽苗在一定的脱落酸水平中生长的来确定对葡萄糖迟钝的表现是否是由于改变脱落酸在转基因植物中的水平。

但野生型和过分表达植株在MS培养基上发芽时并没有观察到不同。

然而，当MS培养基补充了葡萄糖后，野生型植物中的脱落酸水平增加，这结果与以前的报告(Arenas-Huertero等，2000)一致，当AtTPS1过分表达的植株各项保持衡量时，暗示着AtTPS1基因表达和脱落酸新陈代谢之间有联系。

为了更进一步的探索AtTPS1过分表达和脱落酸与葡萄糖之间的联系，分析了在AtTPS1过分表达植株中基因的表达模式被脱落酸或者葡萄糖控制这一已知情况。

芽苗在包含了葡萄糖的MS培养基上萌发减少了ABI1(脱落酸信号转导)，HXK1(植物糖信号成分)和ApL3（淀粉生物合成）的基因表达。

TPS的产物T6P是一种在酵母（酿酒酵母）中已知的信号分子可以抑制己糖激酶合成，从而调节葡萄糖和果糖胺进入糖酵解(Blazquez等，1998)。

在Avonce等在2004年的研究中发现, AtTPS1过分表达导致了对葡萄糖和脱落酸迟钝的表现除此之外还有由植物糖控制的基因表达的改变，说明了AtTPS1过分表达和植物糖感知之间的联系。

影响
考虑到在植物中的海藻糖和T6P 的含量很低，其检测是一个潜在的问题，可能导致有误差的测量。

Lunn等（2006）开发了一个很灵敏的实验来在千万亿分之一皮摩尔范围内测量T6P含量。

他们后来用这个实验测验在补充蔗糖后T6P在缺乏蔗糖的拟南芥植物中的含量结果发现T6P含量随着植物糖浓度升高而增加。

此外，他们发现植物糖和T6P含量的增加会导致二磷酸腺苷-葡萄糖焦磷酸化酶氧化还原状态的变化和刺激体内淀粉合成。

这个结果支持了由Avonce 等定义的T6P充当着植物中植物糖状态调控分子的作用的观点，除此之外还有T6P 在蔗糖诱导改变淀粉合成率中的调节作用(Kolbe等，2005)。

Avonce等的工作是第一次提出海藻糖新陈代谢与基因表达中的下游变化有联系，更加支持了它可能是作为一个第二信使。

Gomez等2006年在研究tps1变异体种子发育时发现了AtTPS1的另一个可能作用：一个充当胚芽损伤特异性的致死因子。

这些突变发生在植物胚芽发育中的鱼雷期，但是Gomez等在2006年发现如果在琼脂上培养一个延长期种子，种子会发芽。

这些芽苗有有限的生长而且保持不超过植物阶段的很小的小苗木状态。

一个更加精细的tps1胚芽实验显示了其比野生型更加厚的细胞壁，作者假定这是由于植物糖核苷酸新陈代谢的改变而造成的。

在突变体中细胞分裂也减少了，
可能是由于增厚的细胞壁或者是由于海藻糖作为植物糖有效地控制了细胞培养中细胞分裂G1期的调控物的出现。

这些表明了TPS1在胚芽发育中与新陈代谢配合在细胞壁生物合成阶段的细胞分裂起协同作用。

结论
假如生物合成途径的产物对植物的生活周期或者存活的一些方面不重要但是事实上拟南芥有11分子的TPS 和10分子的TPP基因，这一情况是很困惑的。

Avonce等在2004年的研究和其他的研究已经证明了TPS对于植物生长和生存的重要性，最近更多的研究显示了T6P.的重要性。

这些研究，和海藻糖在多数植物中的低含量，支持了T6P对于植物生长，发育，和抗逆性有很重要的作用的观点。

参考文献
Arenas-Huertero F, Arroyo A, Zhou L, Sheen J, Leon P (2000) Analysis of Arabidopsis glucose insensitive mutants, gin5 and gin6, reveals
a central role of the plant hormone ABA
in the regulation of plant vegetative development by sugar. Genes Dev 14: 2085–2096
Avonce N, Leyman B, Mascorro-Gallardo JO, Van Dijck P, Thevelein JM,Iturriaga G(2004) The Arabidopsis trehalose-6-P synthase AtTPS1 gene is a regulator of glucose, abscisic acid, and stress signaling. Plant Physiol 136: 3649–3659
Avonce N, Mendoza-Vargas A, Morett E, Iturriaga G (2006) Insights on the evolution of trehalose biosynthesis. BMC Evol Biol 6: 109
Blazquez MA, Santos E, Flores CL, Mart?nez-Zapater JM, Salinas J, Gancedo C (1998) Isolation and molecular characterization of the Arabi- dopsis TPS1 gene, encoding trehalose-6-phosphate synthase. Plant J 13:
685–689
Eastmond PJ, Graham IA (2003) Trehalose metabolism: a regulatory role for trehalose-6-phosphate? Curr Opin Plant Biol 6: 231–235
Goddijn OJM, van Dunn K(1999) Trehalose metabolism in plants.
Trends Plant Sci 4: 315–319
Goddijn OJM, Verwoerd TC, Voogd E, Krutwagen RWHH, de Graaf PTHM, van Dun K,Poels J, Ponstein AS, Damm B, Pen J (1997) Inhibition of trehalose activity enhances trehalose accumulation in transgenic plants. Plant Physiol 113: 181–190
Gomez LD, Baud S, Gilday A, Li Y, Graham IA (2006) Delayed
embryo development in the
ARABIDOPSIS
TREHALOSE-6-PHOSPHA TE
SYNTHASE 1 mutant is associated with
altered cell wall structure, decreased cell
division and starch accumulation. Plant J
46: 69–84
Kolbe A, Tiessen A, Schluepmann H, Paul M, Ulrich S,
Geigenberger P(2005) Trehalose
6-phosphate regulates starch
synthesis via posttransla- tional redox
activation of ADP-glucose
pyrophosphorylase. Proc Natl lethal.
These mutants are arrested at the torpedo
stage Acad Sci USA 102: 11118–11123 Leyman B, Avonce N, Ramon M, Van Dijck P, Iturriaga G, Thevelein
JM(2006)Trehalose-6-phosphate
synthase as an intrinsic selection marker
for plant transformation. J Biotechnol
121: 309–317
Lunn JE, Feil R, Hendricks JHM, Gibon Y, Morcuende R, Osuna
D,Scheible WR, Carillo P, Hajiresaei
MR, Stitt M(2006) Sugar-induced
increases in trehalose 6-phophate are
correlated with redox activation of
ADPglucose pyrophosphorylase and
higher rates of starch synthesis
in Arabidopsis thaliana. Biochem J 397:
139–148
P ellny TK, Ghannoum O, Conroy JP, Schluepmann H, Smeekens S,
Andralojc J, Krause KP, Goddijn O,
Paul MJ (2004) Genetic modification of
photosynthesis with E. coli genes
for trehalose synthesis. Plant
Biotechnol J 2: 71–82
Price J, Laxmi A, St Martin SK, Jang JC (2004) Global transcription profiling
reveals multiple sugar signal
transduction mechanisms in
Arabidopsis. Plant Cell 16: 2128–2150 Schluepmann H, Pellny T, van Dijken A, Smeeekens S, Paul M (2003)
Trehalose 6-phosphate is indispensable
for carbohydrate utilization and
growth in Arabidopsis thaliana.
Proc Natl Acad Sci USA 100:
6849–6854
Van Dijck P, Mascorro-Gallardo JO, de Bus M, Royackers K,
Iturriaga G, Thevelein JM (2002)
Truncation of Arabidopsis thaliana
and Selaginella lepidophylla
trehalose-6-phosphate synthase unlocks
high catalytic activity and supports high
trehalose levels on expression in yeast.
Biochem J 366: 63–71。