多胺生物合成途径中两个关键酶基因研究进展

吕焕青王志敏汤青林田时炳王永清宋明

（1. 西南大学园艺园林学院 南方山地园艺学教育部重点实验室 重庆市蔬菜学重点实验室，重庆 400715；2. 重庆市农业科学院蔬菜花卉所，重庆 400055）

多胺生物合成途径中两个关键酶基因研究进展

吕焕青1王志敏1汤青林1田时炳2王永清2宋明1

（1. 西南大学园艺园林学院 南方山地园艺学教育部重点实验室 重庆市蔬菜学重点实验室，重庆 400715；2. 重庆市农业科学院蔬菜花卉所，重庆 400055）

多胺是一类小分子生物活性物质，广泛存在于生物体内，与植物的生长发育、衰老及抗逆性都有着密切的联系。就多胺合成途径中的两个关键酶基因，即S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因（SAMS）和S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因（SAMDC）的克隆、表达，以及转S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因（SAMS）和转S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因（SAMDC）表达调控等方面的研究进行回顾总结，并对其应用前景进行展望。

多胺；SAMS；SAMDC；基因克隆；表达调控

多胺（Polyamines，Pas）是一类低分子量、聚阳离子、脂肪族含氮物质，广泛存在于生物细胞中。植物体中的多胺主要以腐胺（Put）、亚精胺（Spd）、精胺（Spm）和尸胺（Cad）等形式存在，其参与植物的生长发育，包括植物生长、花芽分化、胚胎发育等，同时还对各种环境胁迫如盐胁迫、低温胁迫、干旱胁迫等产生响应。此外，多胺还参与一系列的生化过程，包括DNA的复制、转录、膜稳定、RNA和蛋白质的翻译等［1］。

S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adenosylmethionine synthetase，SAMS）和S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶（S-adenosylmethionine decarboxylase，SAMDC）都是植物多胺合成过程中的限速酶，在多胺合成途径中，S-腺苷甲硫氨酸合成酶催化甲硫氨酸与ATP 生物合成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），S-腺苷甲硫氨酸经过S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶（SAMDC）催化，生成脱羧SAM，由Put与脱羧的SAM提供的氨丙基合成Spd和Spm，此反应是由特定的氨丙基转移酶催化，即亚精胺合成酶和精胺合成酶，由此可知在多胺合成途径中SAM和SAMDC都是合成Spd和Spm的关键酶［2］。由于这两种酶的重要生物学功能，并发现存在多种类型的SAMS基因和SAMDC基因，多种植物中SAMS基因和SAMDC基因的cDNA已被克隆出来，它们均由一个多基因家族所编码，共同调控多胺的合成速率。本研究主要从SAMS和SAMDC的基因克隆、表达调控方面等方面，对近年来SAMS基因和SAMDC基因的研究进行回顾总结，期望能为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参考。

1 多胺生物合成酶基因SAMS和脱羧酶基因SAMDC的克隆研究现状

1.1 SAMS基因克隆研究现状

SAMS最早被Cantoni［3］于1953年发现，之后人们开始对SAMS展开研究。随着科学研究的不断发展，目前已经从许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］、无芒隐子草［9］、拟南芥［10］等。在克隆的过程中发现，几乎每种植物中的SAMS基因都不止一个，如发现玉米中有4个SAMS基因［7］、拟南芥中有4个SAMS基因［10］、番茄中至少有3个SAMS基因［11］、香蕉［12］和烟草［13］中至少有2个SAMS基因。可见，SAMS基因由一个多基因家族所编码，在每种植物中可能同时有几个拷贝的SAMS基因存在，而且它们的表达方式也各不相同。将已经克隆得到SAMS基因序列进行对比发现［4，5，7］，该基因一般没有内含子，并发现已知植物SAMS基因的核苷酸序列同源性较高。SAMS基因蛋白均具有典型的结构，含有3个结构域：N端结构域、中间结构域、C端结构域，N端结构域和中间结构域分别具有4个折叠和2个螺旋，C端结构与前两个的差别是最后的折叠变成了螺旋，并且中间的一个螺旋变成两个小螺旋［14］。

1.2 SAMDC基因克隆研究现状

SAMDC最早被Tabor［15］于1962年发现，之后人们开始对SAMDC展开研究。随着科学研究的不断发展，目前已经从许多植物中都克隆到了SAMDC基因，如拟南芥［16］、水稻［17］、番茄［18］、百脉根［19］、羊草［20］、棉花［21］、杜梨［22］、甘蔗［23］等。在克隆的过程中发现，几乎每种植物中的SAMDC基因都不止一个，如拟南芥中有4个SAMDC基因［17］、 水稻中有4个SAMDC基因［17］、番茄中有3个SAMDC基因［18］，羊草中至少有2个SAMDC基因［20］。可见，SAMDC基因也由一个多基因家族所编码，在每种植物中可能同时有几个拷贝的SAMDC基因存在，而且它们的表达方式也各不相同。将已经克隆得到的SAMDC基因序列进行对比发现［24］，植物中的SAMDC基因在主要开放阅读框（main-ORF）内没有内含子，而5'非编码区前导序列中有内含子，并发现已知植物SAMDC基因的核苷酸序列同源性较高，所推导的氨基酸序列相似度也较高。

2 SAMS基因和SAMDC基因的表达研究

2.1 SAMS基因和SAMDC基因表达的诱导因素

研究表明，植物组织中的SAMS基因和SAMDC基因含量低且不稳定，但是有的SAMS基因和SAMDC基因是组成型表达，而有些却是受植物激素和一些环境因子所调控。在植物发育的不同阶段中，一些SAMS基因和SAMDC基因的mRNA水平会发生显著的变化。

SAMS基因和SAMDC基因的表达受植物激素及其它制剂的影响。如黄瓜在外源亚精胺介导盐胁迫下黄瓜幼苗SAMS基因出现表达差异［25］；Zn胁迫下，小麦SAMS代谢途径关键基因表达出现差异［26］；甘蔗SAMS基因在聚乙二醇（PEG）、NaCl非生物胁迫下均被诱导表达［4］，在H2O2胁迫下其表达被抑制；石蒜的SAMS基因在NaCl胁迫下诱导出现表达差异。拟南芥中有4个SAMDC基因，其中SAMDC1和SAMDC2特异地受ABA的诱导表达［16］；研究甘蔗SAMDC基因在PEG和NaCl处理下的表达特异［23］。

一些环境胁迫因子，主要包括盐胁迫、低温胁迫、干旱胁迫等都能诱导SAMS基因和SAMDC基因的差异表达。研究发现甘蔗中SAMS基因能够在低温条件下诱导表达，但表达模式不同［4］；玉米中的4个SAMS基因在盐胁迫下表现出不同的表达模式，其中SAMS2基因和SAMS4基因的表达受盐胁迫的诱导［8］；无芒隐子草SAMS1基因受干旱胁迫的诱导表达［9］。拟南芥中SAMDC基因也能够在低温和干旱迫条件下诱导表达［16］；棉花的SAMDC的基因表达受低温诱导［21］。

2.2 SAMS基因和SAMDC基因表达的特异性

不同植物的SAMS基因和SAMDC基因表达研究发现，其基因的表达具有组织器官和时空特异性，说明不同植物的SAMS基因和SAMDC基因在植物体内参与了不同的反应，调节着不同的代谢过程。研究玉米正常植株中除了SAMS1基因外，其余的3个合成酶基因在根和茎中的表达量比叶中表达量多［8］；甘蔗SAMS基因为组成型表达，在根中的表达量最高，是叶中表达量的3.6 倍［4］。百脉草SAMDC基因在根、茎、幼叶3个组织中均有转录表达，但是所表达的RNA水平不同，其在幼叶和根中的表达量较高，在茎中的表达量较低，而在成熟叶片中不表达［19］；在低温胁迫条件下，棉花新陆早1号中，低温处理后0.5 min后SAMDC基因表达量已有下降趋势，30 min内SAMDC基因表达量已完成多次升降变化；新陆早33号中，低温处理后10 min内，SAMDC基因表达量呈下降趋势，10 min至30 min开始缓慢上升［21］。

3 转SAMS基因和SAMDC基因表达调控的研究

转基因技术是调控植物SAMS基因和SAMDC基因表达的一种有效方法，通过这种方法可得到植物某些生理特性改良的新品种。利用植物转基因技术术改变多胺代谢酶活性从而研究多胺的生理功能，因而可用于转基因植物抗逆能力的改良。如将从野生大豆中克隆得到的SAMS基因通过农杆菌介导转入烟草中，其绝大部分生理指标不同程度的优于对照烟草，这表明来源于野生大豆的SAMS基因具有提高植物抗低温、干旱和耐盐等逆境的作用［27］；又有研究将从盐地蓬碱克隆得到的SAMS基因通过农杆菌介导转入烟草中，结果发现转基因烟草中SAMS基因超表达明显增强烟草的耐盐性［28］。将从辣椒中克隆得到的SAMDC基因通过农杆菌介导转入拟南芥中，在干旱胁迫条件下，其Spm和Spd的含量优于野生拟南芥，这表明来源于辣椒SAMDC基因具有提高植物抗旱作用［16］；通过干扰RNA产生抑制Os-SAMDC2基因表达得到的转基因水稻，将转基因水稻与野生型水稻相比，Os-SAMDC2表达的抑制导致了Os-SAMDC1基因和Os-SAMDC4基因的转录含量、Spm、Spd和多胺氧化酶（Polyamine oxidase，PAO）的含量均下降，从而证实Os-SAMDC2基因对植物正常生长、花粉活力、结实率、籽粒产量、非生物胁迫耐受性与精胺和亚精胺含量呈正相关关系，同时表明Os-SAMDC2基因能促进植物生长，增强植物的抗性［17］。

4 展望

随着SAMS和SAMDC在越来越多的植物中被研究应用，SAMS和SAMDC的相关基因也陆续被克隆出来，有些已经通过转基因技术转入到了不同的物种中用于调控SAMS和SAMDC基因的表达。目前关于SAMS的研究多与植物体的抗性有关，而关于植物果实发育及成熟方面的研究较少，而对SAMDC的研究主要集中在利用转基因技术改变多胺代谢酶活性从而研究多胺的生理功能方面。因此，今后需要进一步从分子生物学角度深入研究SAMS和SAMDC及其相关基因的表达调控，从而为利用现代技术培养抗逆植物以及调控植物果实发育和贮藏相关研究提供理论依据。

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（责任编辑 狄艳红）

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

中央高校基本科研业务费专项（XDJK2014C092），国家农业部“大宗蔬菜产业技术体系——茄子育种岗位”项目（ARS-25-13C1）

吕焕青，硕士研究生，研究方向：蔬菜遗传育种与生物技术；E-mail：lhqcx@163.com

宋明，教授，硕士生导师，研究方向：蔬菜遗传育种与生物技术；E-mail：swausongm@163.com田时炳，男，研究员，研究方向：蔬菜遗传育种与生物技术；E-mail：tiansbing@yahoo.com.cn