[科普中国]-ACC合酶基因

作用

植物体往往通过调控乙烯的合成以实现对乙稀信号通路的调节,进而达到在多变的环境中更好的生存繁衍的目的。参与乙烯合成过程的酶,受到来自于内部发育过程和外部环境应答等多种信号复杂而精密的调控,其中,ACC合酶作为乙稀生物合成途径中的关键酶和限速酶,对该酶调控过程的研究对于了解乙稀合成途径来说尤为重要。研究发现,ACC合酶在转录水平或转录后水平受到多种生物胁迫及非生物胁迫的调控,进一步影响乙稀的合成1。

基因的克隆

人们最早是在番茄的果皮组织中发现的ACC合酶基因的， 但最先从夏南瓜中分离得到编码ACC合酶的基因，而Straeten从番茄果实cDNA 文库中分离到第一个ACC合酶基因序列。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ACC 合酶基因，如水稻、辣椒、猕猴桃、小麦、小西葫芦、桃、菠萝、鳄梨、柿、薄皮甜瓜、李、苹果、牵牛花等。在克隆的过程中发现几乎每种植物中的ACC 合酶基因都不止一个，迄今为止在研究中发现番茄中至少有9 个，绿豆中有6 个，水稻和土豆中有5个，李中有4 个， 而西葫芦、笋瓜和小麦中有2个， 这表明ACC 合成酶基因是多基因家族编码2。

基因及蛋白结构

随着ACC合酶基因的克隆，其基因组的克隆也得到发展，许多该基因的基因组相继被克隆出来。ACC合酶基因一般含有2、3 或4 个内含子，ACC合酶基因的内含子数目不同，但是各个内含子在基因组中的相对位置是高度保守的，一般位于基因的5'端。ACC合酶基因开放阅读框内的DNA序列有约60%的相似性，mRNA的分子量为1.8~2.1 kb，ACC合酶蛋白序列相似性为50%~95%。其中，最高的同源性分布在ACC合成酶蛋白序列的中部，差异最大的是在C 端。香蕉ACC合酶基因编码蛋白的序列、结构和进化特征已报道3。

基因的表达调控ACC合酶基因的表达

对上述ACC合酶基因进行表达分析，发现它们有的是组成型表达或特异表达，而有的则是诱导表达，ACC合酶基因在环境胁迫或激素处理等诱导条件下其表达模式也不同。番茄LE-ACS2 能在根、成熟的花粉囊、雄蕊、衰老的花瓣和成熟的果实中表达；同样的，一些外部因子（如环境胁迫或激素处理）可以诱导ACS 基因的表达。ACC合酶基因在经过大豆异皮线虫病感染的根中表达上调。在植物生长素、赤霉素和细胞分裂素的作用下，李子中的ACC 合酶基因的转录水平都得以增强。牵牛花ACC 合酶基因(PnACS)在幼苗的子叶、叶柄、下胚轴、根和茎尖顶点表达，并且在根中优势表达；当用吲哚乙酸处理牵牛花幼苗的子叶后，PnACS 基因在所有器官的表达上调，并且在下胚轴中该基因对吲哚乙酸的响应最强烈。细胞分裂素和油菜素内酯则调节ACC合酶蛋白的稳定性3。

转ACC合酶基因的表达调控

通过转基因技术可以有效的调控植物ACC合酶基因的表达，并且可以得到改良的新品种。例如，通过共抑制转基因方法使菠萝ACC合酶基因表达下调，通过Northern 杂交技术进一步分析发现：在许多转基因植株中ACC合酶基因的表达沉默，并且使菠萝的花期推迟；将反义ACS 基因转入子叶进行培养得到转基因番茄后，番茄果实的成熟衰老受到抑制，主要表型为：果实不变红，硬度较大，耐失水，在室温下可贮藏2~3 个月，这主要是由于ACC合酶基因的反义表达中断了乙烯的生物合成途径3。

ACC合酶基因的其他表达调控

ACC合酶基因还受到其他因子的调控。ACC合酶基因的启动子可以调控ACC合酶基因的表达。香蕉果实中的ACC合酶基因的启动子能够指导ACC合酶基因在果实中特异性表达；在激素和胁迫条件的诱导下，AtACS4、AtACS5 和AtACS7 3个基因的启动子使AtACS4、AtACS5 和AtACS7 的表达活性增强。启动子拟南芥broad complex/tramtrack/bric-a-brac(BTB) E3 与ETHYLENE OVERPRODUCER 1(ETO1)、ETO1-like (EOL1)和EOL2 协作通过降解ACS蛋白一起负调控乙烯的合成。在拟南芥中通过化学筛选鉴定了一个新的ACC合酶抑制剂，通过施用这些有效的抑制剂可以调控ACC合酶。磷酸化作用则能控制植物体内ACC合酶的稳定性。将ACC合酶基因进行突变也是调控植物体内乙烯含量的有效手段，如将苹果ACC合酶基因MdACS3 无效突变后延长了果实的货架期3。

基因表达的特异性

同种植物中的不同ACS 基因在表达时大多存在器官表达特异性差异、时空表达特异性差异、转录水平上的差异等。研究发现在番茄的ACS 基因家族中，LEACS2 主要在果实、衰老的花、病原感染的叶片和水淹的根中表达， 而LEACS4 只在果实中表达。在研究麝香石竹ACS 基因时发现，在花柱中优先表达的是ACS2 和ACS3， 而在花瓣中表达较多的是ACS1。植物ACS 基因器官表达特异性差异表明这个基因主要在植物的生殖器官和营养器官上表达， 生殖器官中花和果实均有表达，花中子房表达最强烈，而果实的中柱组织表达最强烈， 营养器官中叶片和根部的表达效果最好。臭氧处理过的马铃薯叶片在1 h 可诱导ACS5 基因的表达，2 h 才检测到有ACS4 基因的表达；而用Cu2+处理叶片时，结果0.5 h 便可检测到ACS5 基因的大量表达，2 h 后才检测到ACS4基因的表达。研究表明，多数ACS 基因的转录受到调节。番茄ACS 基因家族的各成员转录水平存在很大差异， 不同的因素或条件可诱导家族中的不同成员表达， 并且表达的各成员的转录水平高低也存在很大差别。衰老的香石竹花的雌蕊部分的ACC 合成酶的活性较高，但ACS 基因转录合成的mRNA 却保持很低的水平，这说明ACS 基因的转录水平和ACS 酶活水平的变化并不一定一致，也就是说ACS 基因的转录水平并不能反映该酶的活性水平，表明伤害导致ACS 酶活性增强是由于该酶的基因在转录水平上受到调节2。