植物糖基转移酶基因的分离方法及其生物学功能研究进展

罗燕 刘小刚 周志钦

（西南大学园艺园林学院，重庆 400716）

植物糖基转移酶基因的分离方法及其生物学功能研究进展

罗燕 刘小刚 周志钦

（西南大学园艺园林学院，重庆 400716）

植物糖基转移酶是植物体内广泛存在的一种进行糖基化反应的转移酶，可以对糖、蛋白质等受体化合物进行糖基化修饰，从而改变其理化性质，对植物的次生代谢和维持体内激素稳态等的生长发育以及对生物及非生物胁迫的响应具有重要的意义。综述了近几年来植物糖基转移酶研究方法及生物学功能的进展情况，并对以后的研究热点进行了展望，旨为更多植物糖基转移酶的鉴定及分离方法提供一定的借鉴，同时希望对该家族基因进一步的功能分析有所帮助。

糖基转移酶；转录组测序；全基因组分析；生物学功能；胁迫

糖基转移酶是生物体内广泛存在的一种进行糖基化反应的转移酶，它可以将核苷糖上的活性糖基转移到糖、脂类、核酸、蛋白质等化合物上，从而影响糖基受体的水溶性，改善其化学稳定性和生物活性，同时维持自身代谢的平衡［1］。根据氨基酸序列的相似性和立体化学反应，截至2016年3月，可以将糖基转移酶基因分为98个家族［2］。其中以家族1的依赖于UDP的糖基转移酶基因的研究最多。糖基转移酶所能催化的底物种类很多，基本对植物所有的生理系统都能进行一定程度的调控，对植物的生长发育及环境适应起着非常重要的作用［3］，因此，对植物糖基转移酶的研究引起了人们的广泛关注。随着新一代测序技术的发展，植物糖基转移酶基因的鉴定及克隆方法发生了很大的改变，同时对

其生物学功能的研究也更加广泛，故本文将从这两个方面对植物糖基转移酶近年来的研究进展进行综述，以期为今后植物糖基转移酶基因的鉴定分离方法及其生物学功能的研究提供帮助。

1 植物糖基转移酶鉴定方法的发展

以往对植物糖基转移酶的鉴定和克隆研究，限于实验技术手段水平，主要依靠生物化学、分子生物学和遗传学的常规方法［4］，而随着科技的发展，以二代测序技术为主的高通量测序技术逐渐被应用于糖基转移酶的鉴定，如全基因组分析、转录组测序等，这些技术的使用加速了不同物种中糖基转移酶的系统性分析与鉴定，极大地丰富了糖基转移酶的资源。

1.1 常规实验方法

植物糖基转移酶鉴定的常规方法主要有分子生物学和生物化学这两种经典的方法，主要应用于尚未进行全基因组测序的物种中，对这些物种中糖基转移酶的鉴定对于糖基转移酶资源的补充具有重要的意义。王黎等［5］利用RT-PCR技术首次从大红袍（Citrus reticulate ‘Dahongpao’）中成功克隆了柠檬苦素葡萄糖基转移酶基因lgt，该基因编码457个氨基酸残基，含有糖基转移酶特有的保守功能域，通过与其他植物的氨基酸序列比较发现该基因与其同属植物的糖基转移酶具有较高的相似性。王毅等［6］运用RT-PCR及RACE相结合的技术从七彩红竹（Indosasa hispida McClure cv. Rainbow）的茎中克隆得到了全长的类黄酮-3-O-葡萄糖基转移酶基因Ih3GT，系统进化分析显示，七彩红竹3GT基因与其他禾本科植物的3GT聚类到同一个分支，并且Ih3GT在微红的幼茎中大量表达，说明其表达具有组织特异性。王伟英等［7］采用同样的两种技术，从中国水仙（Narcissus tazetta. var. Chinensis）中分离克隆得到了1个葡糖基转移酶基因，命名为NT3GT，其cDNA全长1 682 bp，包含有1个1 461 bp完整开放阅读框架（ORF），编码487个氨基酸残基，具有Glyco_tranf_1 super family（糖基化转移酶基因家族）蛋白保守区。根据同源比对，梁燕梅等［8］从川桑（Morus notabilis）基因组数据库中鉴定出了类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶基因家族成员MaUFGT1、MaUFGT2 和MaUFGT3，表达模式分析表明，MaUFGT2的表达量在3个基因中是最高的，推测其是该基因家族的主效基因，MaUFGT2能够催化UDP-葡萄糖转移至槲皮素形成槲皮素3-β-D-葡萄糖苷，验证了其具有糖基转移酶的功能。

黎晓英等［9］根据已经获得的鱼腥草（Houttuynia cordata Thunb.）UGT75C1转录本序列设计引物，采用RT-PCR的方法获得UGT75C1基因的cDNA序列，表达模式分析发现，UGT75C1在鱼腥草的叶片中表达丰度最高，其他器官中表达量相对较低，花中表达量最低，同时，该基因的原核表达产物与预期大小一致，显示原核表达成功。Zhang等［10］利用同源克隆的方法，得到了水稻（Oryza sativa）中与拟南芥（Arabidopsis thaliana）葡糖醛酸木聚糖合成相关的基因IRX10同源的糖甲基转移酶基因OsGT47，序列比对表明OsGT47A与IRX10具有93.49%的相似性，表达模式分析表明，OsGT47A在水稻茎里特异性表达，其过表达能恢复irx10 irx10L突变体细胞壁薄的表型，表明OsGT47A可能参与了水稻木聚糖的合成过程。Li等［11］从棉花（Gossypium spp.）cDNA文库中筛选出两个与棉花纤维细胞壁发育相关的木聚糖糖基转移酶基因GhGT43A1和GhGT43C1，表达模式分析表明，GhGT43A1特异性的在开花后15-20 d的棉纤维中表达，GhGT43C1也在开花后15 d的棉花纤维中高表达，这两个基因的过表达植株产生了更多的纤维素沉积，表明GhGT43A1和GhGT43C1在棉纤维的发育过程中可能参与了木聚糖的合成。

1.2 高通量测序技术

常规的实验手段一次只能鉴定或克隆有限数量的糖基转移酶基因，并且耗时较长，而对于已经完成全基因组测序的物种而言，转录组测序和全基因组分析等高通量测序技术可一次性鉴定出一个或者几个亚家族，甚至所有的疑似的糖基转移酶基因，因此，越来越多的学者利用这种技术大规模的筛选植物糖基转移酶家族的基因，这些高通量测序技术也主要应用于已经测序的物种。

Song等［12］通过全基因组分析，在草莓（Fragaria×ananassa Duch.）中鉴定出199个果实成熟相关的依赖于UDP的糖基转移酶，这些糖基

转移酶基因的表达水平在果实成熟阶段被强烈上调，通过原核表达系统和酶促生化反应发现，只有UGT75T1显示出非常严格的底物特异性，其他的重组酶表现出比较广谱的底物结合活性，说明在果实成熟阶段鉴定出的这些糖基转移酶在植物的其他生命活动中也起着非常重要的功能。Huang等［13］同样利用全基因组分析，在雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii）、亚洲棉（Gossypium arboreum）和陆地棉（Gossypium hirsutum）中分别鉴定出了142、146和196个糖基转移酶基因，所有的成员都含有糖基转移酶所特有的由44个保守的氨基酸序列组成的基序，对这些基因家族成员的进化和表达模式分析，为进一步对UGT家族的克隆和功能分析打下了坚实的基础。Dai等［14］利用转录组测序和转录组分析，鉴定出罗汉果（Siraitia grosvenorii）中参与罗汉果甜苷合成相关的三萜糖甲基转移酶UGT74AC1，以及一个葫芦二烯醇合成酶基因SgCbQ，并通过原核表达系统和体外生化分析证实了UGT74AC1蛋白特异性地将葡萄糖部分转移到葫芦素的c-3位的羟基，形成罗汉果甜苷。

Jung等［15］通过转录组测序，鉴定出了两个人参（Panax ginseng C. A. Mey）皂苷合成相关的人参皂苷转移酶基因PgUGT74AE2 和 PgUGT94Q2，将这个两个基因以及人参达玛烯二醇Ⅱ（DS）和原人参三醇合成酶（PPTS）同时转入酵母细胞中，就会产生人参皂苷Rg3，说明了这两个糖基转移酶在人参皂苷合成过程中的重要性。Sharma等［16］利用转录组测序和表达序列标签的数据，鉴定了96个UDP糖基转移酶，并对它们的表达模式进行了分析。其中，84个CaUGTs表达量很高，其他12个表达量很低，同时，利用底物专一性实验比较了各成员的底物结合位点，显示了在鹰嘴豆（Cicer arietinum）基因组中UDP糖基转移酶的丰富性。基于糖基转移酶第一家族保守功能域，Li等［17］通过全基因组分析，在玉米（Zea mays L.）基因组中鉴定出147个该家族成员，通过进化树分析，将这147个糖基转移酶划为17类。基因芯片和荧光定量PCR分析表明，玉米的糖基转移酶基因在各个组织中广泛表达，在生长和发育的过程中起着重要的作用。这对进一步研究玉米中糖基转移酶第一家族基因的功能分析奠定了基础。

随着高通量测序技术的发展，测序成本将大幅度降低，越来越多的植物将被进行全基因组测序。结合生物信息学的手段，更多测序物种中糖基转移酶基因家族将被迅速鉴定出来，这将加速我们对于糖基转移酶家族基因的功能分析。

2 植物糖基转移酶生物学功能研究进展

植物糖基转移酶生物学功能的研究，主要是在拟南芥和苜蓿中进行，更多的还是以拟南芥中为主，其他物种中报道较少，因此，对糖基转移酶的生物学功能了解也较少。近年来，研究得比较多的生物学功能有参与植物次生代谢、维持体内激素稳态以及对生物和非生物胁迫的抗性等方面。

2.1 参与植物次生代谢调控

植物糖基转移酶主要是对体内存在的糖、蛋白质等的各种化合物进行糖基化修饰，广泛参与植物次生代谢的调控。较早的研究糖基转移酶参与植物次生代谢的是对花青素的代谢调控，Ogata等［18］发现，月季的糖基转移酶RhGTI可以催化合成花青素5-O-糖苷，然后再产成花青素3，5-双-O-糖苷，体外实验表明，RhGTI重组蛋白可以将花青素或花青素5-O-糖苷作为受体进行催化，但对花青素3-O-糖苷无显著作用。Ishihara等［19］发现，类黄酮糖基转移酶BGLU6是花青素糖基化相关的糖基转移酶，与苯基丙酸类合成路径中的很多基因共表达，该基因天然的单个位点突变或缺失引起了黄酮-3-O-龙胆双糖甙7-O-鼠李糖苷（F3GG7R）含量的降低或消失，从而引起拟南芥中黄酮醇含量的差异。

2.2 维持体内激素稳态

植物的生长发育离不开生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯以及油菜素内酯等激素的参与，这些激素的含量变化对于植物的生长状态将产生非常精细的调控，而植物糖基转移酶可以对这些激素合成途径中的一些酶进行糖基化修饰，影响植物体内激素的含量，进而对植物的生长发育产生调节。ABA UDP糖基转移酶在ABA的结合转移通路中起着主要的作用，但之前的研究表明［20］，该基因对游离的ABA水平的调节只有边缘效应，但最近的报道显示［21，22］，ABA的结合转移通路在ABA稳态

的过程中起着非常重要的作用。Dong等［23］通过对ABA UDP糖基转移酶UGT71B6及其两个同源基因UGT71B7 和 UGT71B8功能获得和缺失突变体的研究表明，该基因在体内ABA稳态和对不同胁迫的反应中起着关键的作用。Ahrazem等［24］将从藏红花（Crocus sativus L.）雌蕊中克隆得到的糖基转移酶UGT85U1、UGT85U2 和 UGT85V1转化到拟南芥中，转化植株对盐及氧化胁迫的耐受力增强，代谢物检测发现，吲哚类物质的衍生物含量发生了变化，生长素的含量有所提高，同时，与根发育及生长素稳态相关的基因，如CDKB2.1、CYCD6、PIN2和SHR等基因的表达水平显著增加。

2.3 参与植物非生物胁迫

目前，对植物糖基转移酶功能研究较多的方面就是其参与植物的非生物胁迫，这些非生物胁迫主要包括温度胁迫和干旱、盐胁迫，其中干旱胁迫往往与植物糖基转移酶调控ABA的稳态相关。贺晓岚等［25］利用RACE 结合RT-PCR 的技术从大赖草中克隆到Lr-6-SFT基因，该基因编码620个氨基酸，其推导氨基酸序列含有保守的果糖基转移酶结构域，是典型的GH32家族成员，其在烟草中的异源表达能够提高烟草对干旱和寒冷胁迫的抗性。Mishra等［26］发现当拟南芥处于42℃的高温或-1℃的低温条件下时，固醇类糖基转移酶TTG15/ UGT80B1过表达的植株较野生型和该基因敲除的植株具有更强的耐受力，HPLC分析发现，过表达植株中β-谷甾醇和谷甾醇糖苷的含量最高，因此，TTG15/UGT80B1的过表达使得拟南芥对高温和低温的适应性增强。Li等［27］证明，第一家族烟酸盐糖基转移酶成员UGT74F2缺失突变体在各种非生物胁迫下的种子萌发率很低，而在互补植株中，其种子萌发率恢复正常，生化分析表明，UGT74F2对盐酸盐的糖基化能在拟南芥种子萌发阶段减少盐酸盐的含量，从而减缓因烟酸盐的过度积累而造成的伤害，随后的进化分析表明，拟南芥盐酸盐糖基转移酶基因家族于近期起源于十字花科，能够为植物提供更好的适应性。Zhang等［28］的研究发现，吲哚-3-丁酸糖基转移酶UGT75D1特异地在萌发种子中表达，并受甘露醇、盐和ABA的诱导，UGT75D1过表达植株的胚芽鞘减小，胚芽鞘表皮细胞也减小，其种子在萌发过程中，对渗透压和盐胁迫的耐受性增强，萌发率升高。进一步的研究表明，UGT75D1在植物早期发育过程中，同时介导了胚芽鞘的发育和对胁迫的适应。

2.4 参与植物生物胁迫

糖基转移酶参与植物生物胁迫以在拟南芥中的研究居多，主要侧重于拟南芥的抗病，并且当前的研究表明其参与拟南芥抗病过程也与调控水杨酸的含量有关［29，30］。拟南芥糖基转移酶基因UGT76B1功能缺失突变体对活体营养型细菌丁香假单胞Pseudomonas syringae D3000表现出抗病的表型，而对死体营养型细菌Alternaria brassicicola表现出感病的表型。UGT76B1衰减了水杨酸介导的抗病反应，促进了茉莉酸介导的抗病反应，说明糖基转移酶在水杨酸与茉莉酸信号通路的对话中起到了非常重要的作用［29］。另一个糖基转移酶基因UGT74E2，其功能缺失突变体对丁香假单胞细菌的生理小种Psuedomonas syringae pv. tomato DC3000的抗病性增强，同时其系统性抗性也增强，而植物的系统性抗性与水杨酸相关［30］。Noutoshi等［31］发现，当利用他们筛选得到的化合物处理拟南芥组织培养的细胞时，细胞中的水杨酸含量增加，但是与水杨酸代谢过程中相关的糖基转移酶修饰的化合物水杨酸-O-β-D-糖苷的含量降低，进而导致了组织培养细胞的抗病性增强。进一步的研究发现，这些化合物抑制了两个目前未知的水杨酸糖基转移酶基因的表达。

3 展望

糖基转移酶在植物生长发育和与环境互作中扮演着非常重要的角色，对该基因家族的研究将引起人们越来越多的关注。我们认为以下几个方面将成为糖基转移酶以后的研究热点。

（1）植物糖基转移酶的底物研究。越来越多的糖基转移酶将被借助高通量测序的手段鉴定出来，但这些糖基转移酶在植物体内是如何起作用的，要搞清楚这个问题，我们首先要清楚每个糖基转移酶的底物是什么，其转移酶活性有没有底物特异性。（2）植物糖基转移酶结构方面的研究。糖基转移酶的转移糖基的能力与其蛋白结构密切相关，那从分子或原子水平解析其结构将会加深我们对其功能的理解。

（3）植物糖基转移酶与重要园艺、农艺性状相关的生物学功能方面的研究，如糖基转移酶在作物抗逆抗病方面的响应。

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（责任编辑 狄艳红）

Research Progress on Methods for Isolating the Gene of Plant Glycosyltransferase，and Its Biological Functions

LUO Yan LIU Xiao-gang ZHOU Zhi-qin
（School of Horticulture and Landscape，Southwest University，Chongqing 400716）

Plant glycosyltransferases widely exist in plant for glycosylation reaction，and they could modify receptor chemicals，such as sugar and proteins，by glycosylation to change their physical and chemical properties，which is of significance for the growth and development of plant secondary metabolism and hormonal homeostasis maintenance，as well as responses to biotic and abiotic stresses. Here，we reviewed the research progress on the methods and biological functions of plant glycosyltransferase，and predicted the research focus of it in the future；aiming at providing some

for the identification and isolation of more plant glycosyltransferase genes，and assisting the further functional analysis of this gene family.

glycosyltransferase；transcriptome sequencing；whole genome analysis；biological function；stress

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.12.007

2016-02-26

基于DNA条形码和基因芯片技术的柑橘物种鉴定与分类研究（31171930）

罗燕，女，硕士，研究方向：柑橘类黄酮生物合成代谢；E-mail：wodeaily7@163.com

周志钦，男，博士，教授，研究方向：园艺植物资源、分类与分子进化；E-mail：zqzhou2013@swu.edu.cn