全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2016, 52 (5): 745–754　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2016.0072 745
收稿 2016-02-25　　修定 2016-05-03
资助 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2012CB-
114505)、北京市教育委员会科学研究与研究生培养共建
项目(BJCXY201612)、国家自然科学基金项目(31570661)、
国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2013AA102703)。
* 通讯作者(E-mail: xinminan@163.com)。
毛白杨蔗糖合酶基因PtSS3的克隆及其表达模式分析
雷炳琪, 高凯, 饶翩, 杨晓宇, 安新民*
林木育种国家工程实验室, 林木花卉遗传育种教育部重点实验室, 北京林业大学生物科学与技术学院, 北京100083
摘要: 为研究毛白杨蔗糖合酶PtSS3基因的表达模式以及PtSS3蛋白的结构和功能, 采用RT-PCR技术, 以毛白杨叶片总RNA
逆转录的cDNA为模板进行PCR扩增, 获得毛白杨PtSS3的基因序列, 测序结果显示该基因序列全长为2 474 bp, 包括一个完
整的阅读框, 编码823个氨基酸。通过NCBI的Blast检索和Bioediter软件分析, PtSS3与毛果杨、胡杨、橡胶树、麻风树的核
酸和氨基酸序列的同源性分别达到85%~98%和87%~98%, 氨基酸序列中包含有蔗糖合酶和糖基转移酶两个保守的功能
域。运用蛋白三维结构预测软件分析显示, PtSS3编码的蛋白共含有37个α-螺旋、27个β-折叠和62个无规卷曲结构, ProtS-
cale工具分析结果表明该蛋白属于亲水性蛋白。进化分析显示该基因家族在进化过程中分化为单子叶组、双子叶组、单
双子叶1组和单双子叶2组4个分支, PtSS3蛋白属于单双子叶1组。进一步的qRT-PCR分析结果表明, PtSS3在毛白杨根、
茎、叶及雌雄花芽组织中均呈现组成型表达模式。根据对同源蛋白的功能研究推测, PtSS3可能与在源库组织的韧皮部装
载过程中和卸载后蔗糖代谢的能量提供关系密切, 并且可能在光合作用的碳分配过程中同样发挥着重要的作用; PtSS3蛋
白与其他家族成员保持保守性的同时, 又有不可代替性。
关键词: 毛白杨; 蔗糖合酶; 表达模式; 糖代谢
蔗糖是植物细胞的主要能源物质, 为植物体
生长发育提供碳源和能量动力(Coleman等2009),
而蔗糖合酶(sucrose synthase, SS)在调节植物蔗糖
代谢和运输方面有重要的作用, 它在植物蔗糖代
谢中能催化蔗糖的合成和分解, 是一种可逆酶, 其
反应为: 蔗糖+尿苷二磷酸(UDP)↔果糖+尿苷二磷
酸葡萄糖(UDP-G) (pH=8.0~9.5时合成蔗糖, pH=
5.5~6.5时分解为果糖和UDP-G)。
Cardini等(1955)首次在小麦胚芽中发现蔗糖合
酶。在之后的几十年里, 从初步的分子量、存在形
式、在植物代谢中的调节功能到蔗糖合酶基因的
克隆、表达调控和遗传转化, 有关蔗糖合酶的研究
已成为诸多植物研究中的热点之一。早前已在马
铃薯(Pressey 1969; Zrenner等1995)、棉花(Chen等
2012)、胡萝卜(Sturm等1999)、玉米(Carlson等
2002)、拟南芥(柴静等2013)等作物中发现并克隆出
相关的蔗糖合酶基因。研究结果表明, 蔗糖是大多
数植物体内关键的可移动性碳水化合物, 蔗糖合酶
是调控源库组织中光合产物代谢的关键酶之一(Sun
等1992; Asano等2002)。蔗糖合酶在植物体内主要
起分解蔗糖的作用, 从而为纤维素的生物合成提供
底物, 提高纤维素的合成效率。
在模式植物拟南芥中蔗糖合酶基因家族包含
6个不同的AtSS成员, 并分成3类(Baud等2004; Bie-
niawska等2007); Hirose等(2008)对水稻纤维起始发
育过程中蔗糖合酶进行分析, 发现水稻基因组中
包含6个蔗糖合酶基因家族成员, 其中4个蔗糖合
酶基因组织器官阶段特异性表达。柑橘(Citrus re-
ticulata)中蔗糖合酶的研究表明, 蔗糖合酶在果实
发育和成熟的过程中与糖积累密切相关(Komatsu
等2002); 水杨酸能提高豌豆种子发育过程中的蔗
糖合酶活性(Murtaza和Asghar 2013)。转基因研究
发现蔗糖合酶基因成员在植物细胞纤维素沉积调
控中有特殊功能, 在植物发育中也与细胞壁的合成
相关。利用反义RNA抑制胡萝卜蔗糖合酶基因的
表达(Tang和Sturm 1999), 发现纤维素的合成受到
影响; 棉花SS基因的下调能够引起纤维素含量下
降, 并且抑制纤维的发育伸长(Ruan等2003)。另一
方面, 玉米超表达SS基因不仅明显地提高包括细
胞壁在内的纤维素含量, 同时也改变了茎细胞壁的
超微结构(Coleman等2009); 通过对陆地棉纤维发
育的形态学(Ruan和Chourey 1998)、生理生化方面
(Cosgrove 1986)的研究发现, 蔗糖合酶与陆地棉珠
被表皮细胞的分化和细胞壁的合成也有着重要的
关系; 对玉米、马铃薯(Wang等1993)和水稻(Heim
等1993)植物体内的蔗糖合酶水平和淀粉含量的相
植物生理学报746
关研究表明, 蔗糖合酶在淀粉合成的调节方面起到
关键作用。此外, 据报道蔗糖合酶在植物的抗逆性
能方面也发挥着重要的作用(Savitch等2000)。
蔗糖合酶不仅可以通过生化反应为纤维素的
生物合成直接提供底物UDP-G, 同时可能在维持
细胞膨压, 以保证纤维素生物合成反应进行的环
境方面也发挥重要的作用(Ruan和Chourey 1998)。
虽然纤维素生物合成反应的机制、起始底物的受
体和供体仍在进一步的研究当中, 但是蔗糖合酶
在纤维素合成中的重要性已经引起了相关科研工
作者的极大兴趣。
目前, 已经在多种植物中克隆出了蔗糖合酶
基因(Brill等2011; Barratt等2001), 并对其功能进行
了初步的验证。但是这些研究主要还是集中在模
式植物上, 在农作物方面也有相关报道, 而针对木
本植物的研究则比较少。研究表明, 蔗糖合酶参
与胡杨在盐胁迫恢复的过程(Gu等2004); 前人从巴
西橡胶树中成功克隆了2个蔗糖合酶基因HbSS1和
HbSS2 (朱家红等2014)。杨树是木本植物分子生
物学研究和分子遗传学研究的模式树种, 毛白杨
是我国城乡绿化、防护林建设和工业用材的重要
树种, 可供建筑、家具、胶合板、造纸及人造纤
维等用途。本研究以毛白杨(Populus tomentosa)为
实验材料, 利用qRT-PCR技术克隆了PtSS3的cDNA
序列, 并对其序列特性和功能进行了分析, 同时对
该基因在根、茎、叶、雌雄花芽中的表达模式进
行分析, 初步揭示了该基因的表达规律。选择、
分离并鉴定毛白杨蔗糖合酶基因家族成员, 对明
晰毛白杨蔗糖合酶基因家族不同成员的分子功能
机制, 了解蔗糖代谢、改善木材纤维品质具有重
要意义, 对其他多年生木本植物蔗糖合酶调控的
研究具有借鉴价值。
材料与方法
1 材料
用于RNA提取的组织器官分别为毛白杨(Pop-
ulus tomentosa Carr.)无菌组培苗的根、茎和叶以及
成年树的营养芽和雄雌花芽。其中毛白杨雌性无
性系(TC1521)无菌组培苗取自北京林业大学林木育
种国家工程实验室。毛白杨雄株定植于北京林业
大学苗圃, 毛白杨雌株定植于海淀区东王庄小区。
2 总RNA的提取、质量检测以及反转录成cDNA
第一链
用改良CTAB法(Chang等1993)分别提取毛白
杨不同组织器官的RNA, 采用RQ1 DNase I (Promega)
对总RNA样品进行处理以去除痕量DNA。取适量
RNA溶液, 分别进行电泳和超微量分光光度计检测
RNA的浓度、纯度和完整性。根据PrimeScriptTM
RT reagents Kit (TaKaRa)说明书进行cDNA第一链
的合成。将上述反转录反应得到的cDNA用RNase
Free ddH2O稀释10倍, 贮存于–20°C冰箱备用。
3 PCR扩增反应与克隆测序
根据PtSS3基因的同源序列毛果杨(Populus
trichocarpa) PtrSS3基因来设计引物(表1), 通过PCR
扩增进而获得PtSS3基因, 扩增PCR反应体系为20
μL: 2.0 μL 10×PCR Buffer, 1.6 μL dNTPs (2
mmol·L-1), 0.4 μL上游引物, 0.4 μL下游引物, 2.0 μL
cDNA模板, 0.2 μL Taq DNA聚合酶(1.0 U), 加双蒸
水至20 μL。PCR循环条件为: 94°C预变性3 min;
94°C变性30 s, 58°C退火30 s, 72°C延伸90 s, 进行35
个循环; 72°C延伸5 min, 最后在4°C保存。
PCR产物经1.5%的琼脂糖凝胶电泳分离后,
用洁净刀片切下目的片段, 用DNA凝胶回收试剂
盒纯化, 接着将纯化产物与pGEM-T Easy载体连
接。连接产物转化大肠杆菌DH5α, 筛选阳性克隆,
表1 PCR引物序列
Table 1 PCR primer sequence
引物代号 引物序列(5′→3′) 备注
PtSS3-F ATGGCAAACCCTAAACTTGAAAGAA cDNA 扩增
PtSS3-R CTAATGCCAGTCCTCGATTGACAAA
PtActin-F CTCCATCATGAAATGCGATG RT-PCR
PtActin-R TTGGGGCTAGTGCTGAGATT
雷炳琪等: 毛白杨蔗糖合酶基因PtSS3的克隆及其表达模式分析 747
委托北京博迈德科技发展有限公司进行测序。
4 PtSS3基因编码的蛋白特性及其同源性比对分析
PtSS3核酸序列的翻译使用DNAMAN软件,
SS的同源核苷酸序列及其对应的氨基酸序列来源
于National Center for Biotechnology Information
(NCBI, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)核酸及蛋白质
数据库, 包括毛果杨(PtrSS3)、胡杨(PeSS2)、麻风
树(JcSS2)和橡胶树(HbSS2)。氨基酸同源性比对分
析采用Bioedit软件 , 系统进化分析运用Clust-
alx1.83软件。蛋白质理化性质分析采用ExPASy网
站的ProtParam工具(http://web.expasy.org/prot-
param/), 蛋白质亲/疏水性ExPASy网站的ProtScale
工具以Hphob. Kyte & Doolittle为默认值进行分析,
三维结构模拟使用SWISS-MODEL (http://swiss-
model.expasy.org/), 进一步采用RasMol2.71软件进
行优化。
5 PtSS3基因的组织表达谱分析
按上述第2节方法分别提取毛白杨试管苗
根、茎、叶以及成年毛白杨的营养芽和不同发育
时期的雄花、雌花组织的RNA, 经RNase-free的
DNase处理后, 取1 μg作为逆转录反应的模板, 按照
上述试剂盒说明逆转录成cDNA。逆转录产物稀
释10倍后, 取1~2 μL做模板, 利用PCR设计的引物
(表1), 采用SYBR Premix Ex Taq (TaKaRa), 进行
qRT-PCR检测, 分析PtSS3基因在毛白杨各个器官
中的表达特点。反应体系为25 μL, 包括12.5 μL
2×SYBR Taq Mix, 各0.4 μL 10 μmol·L-1上游引物和
下游引物, 1 μL cDNA模板, 剩下的体积用ddH2O补
足。反应条件为: 首先进行94°C预变性3 min, 然后
进行40个热循环, 每个热循环为94°C变性15 s,
58°C退火20 s, 72°C延伸15 s; 热循环结束后再72°C
延伸7 min, 最后4°C保存。每个反应进行3次重复,
以毛白杨PtActin作为内参基因, 反应在OpticonTM
(MJ researchTM)检测仪中进行, 使用∆CT法计算各组
织中PtSS3相对于内参基因Actin的表达量(陈仲等
2011)。
实验结果
1 cDNA的合成及PtSS3片段的克隆及测序
提取的RNA电泳图主带清晰完整, RNA的质
量符合实验要求。取总RNA 1 μg进行cDNA第一链
合成, 然后将第一链cDNA稀释10倍作为PCR的反
应模板, 进行PCR扩增反应, 得到了PtSS3基因序列,
并在GenBank中进行了登记, 登记号为KU994882。
2 PtSS3基因编码的蛋白的理化性质
序列拼接结果显示, 毛白杨PtSS3全长序列由
2 474个核苷酸组成, 包括一个完整的开放阅读框,
该阅读框大小为2 469 bp, 编码823个氨基酸。通过
ExPASy网站分析蛋白的理化性质, 相关结果显示:
该PtSS3蛋白分子量为94.065 kDa, 理论等电点为
5.90。
3 核酸及氨基酸序列的同源性比对分析
用Blast程序比对毛白杨与其他植物蔗糖合酶
的核酸序列同源性, 结果表明: 毛白杨PtSS3基因的
开放阅读框与毛果杨、胡杨、橡胶树和麻风树有
较高的一致性, 分别为98%、98%、86%和85%; 对
蛋白质-蛋白质的Blast (protein-protein blast)比对的
结果显示毛白杨PtSS3编码的氨基酸序列与以上植
物相应的氨基酸序列的相似性程度更高, 一致性
分别为97%、98%、87%和87%。为了进一步探究
PtSS3编码的氨基酸序列的特点, 本试验选取了胡
杨PeSS2、麻风树JcSS2、毛果杨PtrSS3和橡胶树
HbSS2的氨基酸序列与毛白杨PtSS3氨基酸序列进
行同源性比对。结果如图1所示, 根据比对结果,
这些同源序列中有蔗糖合成(sucrose_synth)功能域
和糖基转移(glycos_transf)功能域2个区域, 在这2
个功能域中, 有50个左右的保守区。在毛果杨、
胡杨、橡胶树、麻风树和毛白杨中, 这2个功能域
的长度是一样的。
根据上述方法, 又把毛白杨自身PtSS1、PtSS2
和PtSS3的核酸与氨基酸序列进行同源性分析和比
对。结果显示, PtSS3与PtSS1和PtSS2的核酸同源
性分别为65.91%和66.25%, 氨基酸同源性分别为
65.58%和67.44%。由图2可知, 3个基因同样含有多
个同源保守区域, 也都含有蔗糖合成(sucrose_synth)
和糖基转移(glycos_transf)两个功能域。
4 进化树的构建及分析
为了分析毛白杨PtSS3与其他物种SS蛋白在
植物中的系统发育进化关系, 利用毛白杨PtSS3基
因与具有较高同源性的11个物种共44个SS成员的
蛋白氨基酸序列构建进化树。由图3进化树可见,
进化树可分为4个大组: 单子叶组(monocots)、双
植物生理学报748
子叶组(dicots)、单子叶和双子叶1组(M&D 1)以
及单子叶和双子叶2组(M&D 2)。其中, PtSS3与
PtrSS3、PeSS2等同为一单双子叶1组, 毛白杨和
毛果杨的SS基因家族各成员的蛋白同源性都比
较高, 说明毛白杨和毛果杨的SS蛋白进化程度
相似。
5 蛋白质的亲/疏水性分析及三维结构预测
用ExPASy网站的ProtScale软件以Hphob. Kyte
& Doolittle为默认值分别对PtSS3编码的蛋白质进
行亲/疏水性预测, 在此软件中氨基酸分值越低亲
水性越强, 分值越高疏水性越强, 根据软件输出图
谱显示, PtSS3编码蛋白的多肽链的第84号的赖氨
图1 PtSS3与其他4个树种SS的氨基酸序列比对
Fig.1 The comparison with SS amino acid sequences of PtSS3 and other four tree species
雷炳琪等: 毛白杨蔗糖合酶基因PtSS3的克隆及其表达模式分析 749
酸(Lys)和第607号的缬氨酸(Val)具有最高的分值
2.478, 疏水性最强; 第782号的精氨酸(Arg)具有最
低的分值–2.867, 亲水性最强, 从整体上看, 亲水性
氨基酸均匀分布在整个肽链中, 且多于疏水性氨
基酸, 因此整个多肽链表现为亲水性, 可认为该蛋
白是亲水性蛋白(图4-A)。使用SWISS-MODEL模
型进行三维结构模拟, 经过SWISS-PDBViewer进
行修饰, 结果显示PtSS3模拟的三维结构含有37个
α-螺旋、27个β-折叠和62个无规卷曲(图4-B)。
6 PtSS3的表达模式分析
为研究PtSS3基因的组织表达特性, 我们分别
采集了毛白杨组培苗的根、茎和叶, 营养芽和同
期雌雄花芽以及花序组织, 并提取RNA, 以毛白杨
PtActin作为内参基因, 进行qRT-PCR分析, 使用∆CT
法计算各组织中PtSS3相对于内参基因Actin的表
达量, 分析PtSS3基因在各个组织器官中的表达模
式。结果显示, 在组培苗根茎叶的PtSS3基因表达
量比较中, 组培苗的叶片中表达量最高, 在茎中的
表达量次于叶, 而在根中的表达量在三者中最低。
在同期营养芽和雌雄花芽的表达量对比中, 营养芽
中的PtSS3的转录本水平高于同期雌雄花芽; 同期
雄雌花芽中PtSS3的表达丰度差别不大(图5), 花序
中的表达量最低。总体而言, 该基因呈现组成型表
达模式, 即在根、茎、叶、营养芽、花芽和花序中
均有表达, 表达丰度以茎、叶及营养芽中较高, 在
花芽和根中表达量较低, 花序组织中最低。
讨　　论
已有的研究已能够清楚地认识植物中蔗糖的
代谢途径及相关酶特征, 但这是否真正反映植物
体内几种酶之间的相互作用 , 仍有待进一步研
究。另外, 对糖信号有关酶发挥的作用方式以及
酶基因表达调控方面还有许多未解决的问题, 糖
作为一种信号分子, 可能与糖代谢基因的表达有
图2 PtSS3与自身SS1和SS2基因氨基酸序列比对
Fig.2 The comparison with SS amino acid sequences of PtSS3, PtSS2 and PtSS1
PeSS2: 胡杨Populus euphratica (XP_011006464.1); JcSS2: 麻疯树Jatropha curcas (XP_012082813.1); PtrSS3: 毛果杨Populus trichocarpa
(ADV71185.1); HbSS2: 橡胶树Hevea brasiliensis (AGQ57013.1)。
植物生理学报750
关。借助已有的相关知识, 运用基因工程等现代
手段加强对植物中相关酶基因表达调控及生物学
特性研究是认识与解决这一问题的有效途径。
目前, 研究者已经从马铃薯(Bologa等2003)、
玉米(Lindblom等1997)、苹果(李培环等2002)、柑
橘(Islam等2014)等不同种属的植物中成功地克隆
出SS基因。有关其蔗糖合酶的转化研究也取得了
较大的进展。例如, 拟南芥AtSS1的研究表明, 蔗糖
合酶的功能涉及韧皮部的能量供应和源库组织中
蔗糖的代谢(Martin等1993); 杨树SS基因的表达模
式研究表明, SS基因的表达量与纤维素合成相一致
(Hertzberg等2001); 小麦蔗糖合酶基因的表达水平
与蔗糖合酶活性呈正相关(Xue等2008); Coleman等
(2009)通过对陆地棉的蔗糖合酶基因在白杨杂种
图3 毛白杨PtSS蛋白与11个物种的SS蛋白成员的进化树
Fig.3 The phylogenetic tree of SS gene family members proteins of P. tomentosa and 11 other species
PtSS1~3: 毛白杨Populus tomentosa (ADW80534.1, ADV71182.1, KU994882); OsSS1~7: 水稻Oryza sativa (AEX32874.1, AFI71863.1,
AAC41682.1, AEX32877.1, AEX32878.1, AEX32879.1, AEX32880.1); AtSS1~6: 拟南芥Arabidopsis thaliana (AED92894.1, AED95780.1,
AEE82150.1, AEE77773.1, AED94150.1, AEE35451.1); HbSS1~6: 橡胶树Hevea brasiliensis (AGM14946.1, AGQ57013.1, AGM14948.1,
AGM14949.1, AGM14950.1, AGM14951.1); PtrSS1~7: 毛果杨Populus trichocarpa (ADV71183.1, ADV71184.1, ADV71185.1, ADV71186.1,
ADV71187.1, ADV71188.1, ADV71189.1); EgSS: 巨桉Eucalyptus grandis (NP_001289655.1); CitSS1、CitSSA: 柑橘Citrus reticulata
(BAA88905.1, BAA88981.1); JcSS1~2: 麻疯树Jatropha curcas (NP_001295690.1, XP_012082813.1); PeSS1~2: 胡杨Populus euphratica
(XP_011039917.1, XP_011006464.1); PsSS1~3: 豌豆Pisum sativum (CAA09910.1, O24301.1, CAC32462.1); StSS1~2:马铃薯Solanum tubero-
sum (NP_001275286.1, NP_001274911.1); ZmSS1~3: 玉米Zea mays (NP_001105411.1, NP_001105323.1, NP_001105194.1)。虚线框内说明毛
果杨和毛白杨的SS1、SS2和SS3蛋白都具有较高的同源性。
雷炳琪等: 毛白杨蔗糖合酶基因PtSS3的克隆及其表达模式分析 751
(银白杨×大齿杨, Populus alba×Populus grandidentata)
中的过量表达显示, 在不影响植物生长的前提下,
转基因株系无论是酶活、细胞壁成分还是可溶性
糖含量与对照组相比都有显著的变化。这些结果
都表明了SS基因及其同源基因在植物发育过程的
多个方面起着重要的调控作用。
本研究中通过软件将PtSS3与胡杨、毛果
杨、麻风树和橡胶树的SS基因编码的氨基酸序列
进行同源比对 , 结果显示在蔗糖合成(sucrose_
synth)功能域和糖基转移(glycos_transf)功能域内
均存在多个不同程度的保守氨基酸残基序列。橡
胶树(Xiao等2014)等木本植物以及拟南芥(Martin
等1993)等SS基因调控功能方面的研究报道表明,
蔗糖合酶与组织中韧皮部装载和卸载蔗糖的代谢
过程中的能量提供有密切的关系, 同时在光合作
用碳分配过程作用显著。所以根据同源性, 我们推
测, PtSS3基因可能也与源库组织中韧皮部装载和
卸载后蔗糖代谢的能量提供关系密切, 并且在光合
作用的碳分配过程中同样发挥着重要的作用。
大多数植物中至少有两种或两种以上的SS同
工酶, 它们通常在氨基酸序列和生化性质方面都
有较高的相似性和一致性, 但是在基因调控方面
却有明显的不同(卢合全等2005)。研究表明, 毛白
杨PtSS3与其他树种的SS蛋白具有较高的同源性
及保守区域, 且基因结构与其他毛白杨PtSS基因家
族的成员相比有明显的不同, 表明PtSS3既与其他
家族成员保持较高的保守性, 又可能行使特定的
功能 , 而不能被其他成员所替代。在本实验中,
qRT-PCR分析结果表明, PtSS3的表达具有组成型
的特点, 它在根、茎、叶、营养芽、雌雄花芽以
及花絮组织中均检测到转录本, 而在茎、叶及营
养芽中表达量较高, 这一结果与叶片、茎部的蔗
糖合成与分解代谢比较旺盛且纤维素合成比较活
跃相关联; 营养芽的形态分化先于花芽, 且营养芽
着生于枝条顶端, 其各种生理生化代谢活动相对
来说更为活跃, 所以PtSS3在该器官中表达水平较
高。结果表明, PtSS3基因参与了毛白杨茎、叶、
营养芽、花芽的生长发育过程, 并发挥着重要的
调控作用。
之前的研究已证实蔗糖合酶在植物细胞壁的
合成、表皮细胞的分化, 以及木材纤维素合成等
方面发挥着重要的作用。因此, 通过控制毛白杨
相关组织中蔗糖合酶基因的表达可以调控植物细
胞壁的形成、细胞的分化和纤维素合成。本实验
通过已知毛白杨PtSS3的cDNA序列, 对其表达模
式进行了初步的分析; 还需要进一步研究该基因
启动子的驱动特性, 利用基因过表达或RNA干扰
图5 毛白杨PtSS3基因的组织表达特性
Fig.5 The tissue expression characteristics of PtSS3 in P. tomentosa
图4 PtSS3蛋白的亲/疏水性分析(A)及PtSS3蛋白三维结构模拟预测(B)
Fig.4 Hydrophilic/hydrophobic analysis (A) and the predicted structure of PtSS3 protein (B)
植物生理学报752
技术对其生物学功能进行验证。这不仅有利于进
一步阐释植物糖代谢途径的内在机制, 而且对于
通过基因工程手段进行毛白杨木质纤维品质的改
良、木材蓄积量的提高也具有重要的意义。
参考文献
Asano T, Kunieda N, Omura Y, Ibe H, Kawasaki T, Takano M, Sato
M, Furuhashi H, Mujin T, Takaiwa F, et al (2002). Rice SPK, a
calmodulin-like domain protein kinase, is required for storage
product accumulation during seed development: phosphoryla-
tion of sucrose synthase is a possible factor. Plant Cell, 14 (3):
619–628
Barratt DHP, Barber L, Kruger NJ, Smith AM, Wang TL, Martin C
(2001). Multiple, distinct isoforms of sucrose synthase in pea.
Plant Physiol, 127: 655–664
Baud S, Vaultier MN, Rochat C (2004). Structure and expression pro-
file of the sucrose synthase multigene family in Arabidopsis. J
Exp Bot, 55 (396): 397–409
Bieniawska Z, Barratt DHP, Garlick AP, Thole V, Kruger NJ, Martin C,
Zrenner R, Smith AM (2007). Analysis of the sucrose synthase
gene family in Arabidopsis. Plant J, 49 (5): 810–828
Bologa KL, Fernie AR, Leisse A, Loureiro ME, Geigenberger P (2003).
A bypass of sucrose synthase leads to low internal oxygen and
impaired metabolic performance in growing potato tubers. Plant
Physiol, 132: 2058–2072
Brill E, van Thournout M, White R G, Llewellyn D, Campbell PM,
Engelen S, Ruan YL, Arioli T, Furbank RT (2011). A novel
isoform of sucrose synthase is targeted to the cell wall during
secondary cell wall synthesis in cotton fiber. Plant Physiol, 157:
40–54
Cardini CE, Leloir LF, Chiriboga J (1955). The biosynthesis of su-
crose. J Biol Chem, 214 (1): 149–155
Carlson SJ, Chourey PS, Helentjaris T, Datta R (2002). Gene expres-
sion studies on developing kernels of maize sucrose synthase
(SuSy) mutants show evidence for a third SuSy gene. Plant Mol
Biol, 49: 15–29
Chai J, Yu JN, Qu SX, Zhang H (2013). Sucrose synthase gene
AtSUS3 with RNA interference affects siliques maturation in
Arabidopsis thaliana. Acta Bot Boreal-Occident Sin, 33 (4):
678–683 (in Chinese with English abstract) [柴静, 俞嘉宁, 屈生
宪, 张会(2013). 蔗糖合酶基因AtSUS3干涉后对拟南芥角果发
育的影响. 西北植物学报, 33 (4): 678–683]
Chang SJ, Puryear J, Cairney J (1993). A simple and efficient method
for isolating RNA from pine trees. Plant Mol Biol Rep, 11 (2):
113–116
Chen AQ, He SE, Li FF, Li Z, Ding MQ, Liu QP, Rong JK (2012).
Analyses of the sucrose synthase gene family in cotton: struc-
ture, phylogeny and expression patterns. BMC Plant Biol, 12: 85
Chen Z, Li H, Li Y, Wang J, Ye MX, Guo B, Ji LX, An XM (2011).
Cloning and expression of patterns PtFT1 and PtFT2 from Pop-
ulus tomentosa. Chin Biotechnol, 31 (12): 63–71 (in Chinese
with English abstract) [陈仲, 李昊, 李英, 王佳, 叶梅霞, 郭斌,
季乐翔, 安新民(2011). 毛白杨PtFT1和PtFT2基因编码区与表
达模式分析. 中国生物工程杂志, 31 (12): 63–71]
Coleman HD, Yan J, Mansfield SD (2009). Sucrose synthase affects
carbon partitioning to increase cellulose production and altered
cell wall ultrastructure. Proc Natl Acad Sci USA, 106 (31):
13118–13123
Cosgrove D (1986). Biophysical control of plant cell growth. Annu
Rev Plant Physiol, 37: 377–405
Gu RS, Fonseca S, Puskas LG, Hackler L Jr, Zvara A, Dudits D, Pais
MS (2004). Transcript identification and profiling during salt
stress and recovery of Populus euphratica. Tree Physiol, 24:
265–276
Heim U, Weber H, Baumlein H, Wobus U (1993). A sucrose-synthase
gene of Vicia faba L.: expression pattern in developing seeds in
relation to starch synthesis and metabolic regulation. Planta, 191:
394–401
Hertzberg M, Aspeborg H, Schrader J, Andersson A, Erlandsson R,
Blomqvist K, Bhalerao R, Uhlen M, Teeri TT, Lundeberg J, et al
(2001). A transcriptional roadmap to wood formation. Proc Natl
Acad Sci USA, 98 (25): 14732–14737
Hirose T, Scofield GN, Terao T (2008). An expression analysis profile
for the entire sucrose synthase gene family in rice. Plant Sci, 174
(5): 534–543
Islam MZ, Hu XM, Jin LF, Liu YZ, Peng SA (2014). Genome-wide
identification and expression profile analysis of citrus sucrose
synthase genes: investigation of possible roles in the regulation
of sugar accumulation. PLoS ONE, 9 (11): e113623
Komatsu A, Moriguchi T, Koyama K, Omura M, Akihama T (2002).
Analysis of sucrose synthase genes in citrus suggests different
roles and phylogenetic relationships. J Exp Bot, 53 (366): 61–71
Lindblom S, Ek P, Muszynska G, Ek B, Szczegielniak J, Engstrom L
(1997). Phosphorylation of sucrose synthase from maize seed-
lings. Acta Biochim Pol, 44 (4): 809–818
Li PH, Dong XY, Wang YZ, Liu CL, Yuan YB, Li P (2002). Activity
and subcellular localization of sucrose synthase in ‘Starkrimson’
apple during fruit development. Acta Hortic Sin, 29 (4): 375–377
(in Chinese with English abstract) [李培环, 董晓颖, 王永章, 刘
成连, 原永兵, 李鹏(2002). ‘新红星’苹果果实蔗糖合酶的活性
及亚细胞定位. 园艺学报, 29 (4): 375–377]
Lu HQ, Shen FF, Liu LX, Sun WF (2005). Recent advances in study
on plant sucrose synthase. Chin Agric Sci Bull, 21 (7): 34–37, 57
(in Chinese with English abstract) [卢合全, 沈法富, 刘凌霄, 孙
维方(2005). 植物蔗糖合成酶功能与分子生物学研究进展. 农
业生物技术科学, 21 (7): 34–37, 57]
Martin T, Frommer WB, Salanoubat M, Willmltzer L (1993). Expres-
sion of Arabidopsis sucrose synthase gene indicates a role me-
tabolization of sucrose both during phloem loading and in sink
雷炳琪等: 毛白杨蔗糖合酶基因PtSS3的克隆及其表达模式分析 753
organs. Plant J, 4 (2): 367–377
Murtaza G, Asghar R (2013). Effect of salicylic acid on sucrose syn-
thase activity during seed development and germination in pea
(Pisum sativum L.). Bangladesh J Bot, 42 (1): 83–90
Pressey R (1969). Potato sucrose synthetase: purification, properties,
and changes inactivity associated with maturation. Plant Physiol,
44: 759–764
Ruan YL, Chourey PS (1998). A fiberless seed mutation in cotton is
associated with lack of fiber cell initiation in ovule epidermis
and alterations in sucrose synthase expression and carbon parti-
tioning in eeveloping seeds. Plant Physiol, 118: 399–406
Ruan YL, Llewellyn DJ, Furbank RT (2003). Suppression of sucrose
synthase gene expression represses cotton fiber cell initiation,
elongation, and seed development. Plant Cell, 15: 952–964
Savitch LV, Harney T, Huner NPA (2000). Sucrose metabolism in
spring and winter wheat in response to high irradiance, cold
stress and cold acclimation. Physiol Plant, 108: 270–278
Sturm A, Lienhard S, Schatt S, Schatt S, Hardegger M (1999). Tis-
sue-specific expression of two genes for sucrose synthase in
carrot (Daucus carota L.). Plant Mol Biol, 39: 349–360
Sun JD, Loboda T, Sung SJS, Black CC Jr (1992). Sucrose synthase
in wild tomato, Lycopersicon chmielewskii, and tomato fruit sink
strength. Plant Physiol, 98: 1163–1169
Tang GQ, Sturm A (1999). Antisense repression of sucrose synthase
in carrot (Daucus carota L.) affects growth rather than sucrose
partitioning. Plant Mol Biol, 41: 465–479
Wang F, Sanz A, Brenner ML, Smith A (1993). Sucrose synthase,
starch accumulation, and tomato fruit sink strength. Plant Physi-
ol, 101: 321–327
Xiao XH, Tang CR, Fang YJ, Yang M, Zhou B, Qi J, Zhang Y (2014).
Structure and expression profile of the sucrose synthase gene
family in the rubber tree: indicative of roles in stress response
and sucrose utilization in the laticifers. FEBS J, 281 (1): 291–
305
Xue GP, McIntyre CL, Jenkins CLD, Glassop D, van Herwaarden AF,
Shorteret R (2008). Molecular dissection of variation in carbohy-
drate metabolism related to water-soluble carbohydrate accumu-
lation in stems of wheat. Plant Physiol, 146 (2): 441–454
Zhu JH, Xu J, Chang WJ, Zhang ZL (2014). Cloning and expression
of two sucrose synthase genes from Hevea brasiliensis. J Trop
Subtrop Bot, 22 (1): 83–88 (in Chinese with English abstract)
[朱家红, 徐靖, 畅文军, 张治礼(2014). 巴西橡胶树两个蔗糖
合成酶基因的克隆和表达分析. 热带亚热带植物学报, 22 (1):
83–88]
Zrenner R, Salanoubat M, Willmitzer L, Sonnrwald U (1995). Evi-
dence of the crucial role of sucrose synthase for sink strength
using transgenic potato (Solanum tuberosum L.). Plant J, 7 (1):
97–107
植物生理学报754
Cloning and expression pattern analysis of PtSS3 gene in Populus tomentosa
LEI Bing-Qi, GAO Kai, RAO Pian, YANG Xiao-Yu, AN Xin-Min*
National Engineering Laboratory for Tree Breeding, Key Laboratory of Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental
Plants, Ministry of Education, College of Biological Science and Biotechnology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
Abstract: To investigate the expression pattern of PtSS3 gene, as well as the structure and fuction of PtSS3
protein, the full-length sequence of Populus tomentosa PtSS3 is obtained after amplifying the cDNA from P. to-
mentosa RNA by PCR based on RT-PCR. The results show that the whole length of gene is 2 474 bp, including
a complete open reading frame, coding 823 amino acids. With blast searching in NCBI and Bioediter software
analysis, PtSS3 has 85%–98% and 87%–98% homologies of nucleic acid and amino acid respectively with
Populus trichocarpa, Populus euphratica, Hevea brasiliensis and Jatropha carcas. The amino acid sequence
includes two conserved functional domains, that is sucrose synthesis domain and glyctosyl transfer domain. The
three-dimensional structure prediction shows that PtSS3 protein 37 α-helixes, 27 β-folds and 62 coils. PtSS3 is
also considered to be a hydrophilic protein by ProtScale tool online. Phylogenetic analysis indicates that su-
crose synthase gene family is divided into 4 branches in the evolution process, they are monocots group, dicots
group, M&D 1 group and M&D 2 group. PtSS3 protein belongs to M&D 1 group. The result of qRT-PCR anal-
ysis suggests PtSS3 presented constitutive expression in root, stem, leaf and male and female floral tissues.
Based on the functional studies of homologous proteins, PtSS3 may be closely related to the energy supply of
sucrose metabolism during the process of phloem loading and unloading in the source sink, and may also play
an important role in the process of carbon distribution of photosynthesis. PtSS3 retains conservation with other
PtSS gene family members, meanwhile, has its irreplaceability.
Key words: Populus tomentosa; sucrose synthase; expression pattern; sucrose metabolism
Received 2016-02-25 Accepted 2016-05-03
This work was supported by National Key Basic Research and Development Program (“973” Program) (Grant No. 2012CB114505), Graduate
Training and Development Program of Beijing Municipal Commission of Education (Grant No. BJCXY201612), the National Natural Science
Foundation of China (Grant No. 31570661), and National High Technology Research and Development Program (“863” Program) (Grant No.
2013AA102703).
*Corresponding author (E-mail: xinminan@163.com).