全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月 939
收稿 2006-06-06 修定 　2006-09-21
* 通讯作者(E-mail: zzwang@snnu.edu.cn, Tel: 029-
85308317)。
植物水溶性蔗糖合成酶生物信息学分析初探
韩立敏 王　之*
陕西师范大学生命科学学院，西安710062
A Preliminary Bioinformatics Analysis of Soluble Sucrose Synthase in Differ-
ent Plants
HAN Li-Min, WANG Zhe-Zhi*
College of Life Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China
提要 用生物信息学方法对已在 GenBank 上注册的黑麦草、绿竹、菜豆、马铃薯、颤杨等植物水溶性蔗糖合成酶基因的
核苷酸序列以及推导的氨基酸序列、组成成分、氨基酸翻译后修饰、导肽、跨膜拓朴结构域、疏水性 / 亲水性、蛋白质二
级结构以及功能结构域等进行分析预测和推断的结果表明，这些植物的水溶性蔗糖合成酶位于线粒体中，是非跨膜的亲
水性蛋白，a- 螺旋和不规则卷曲是其蛋白质二级结构的主要结构元件，b- 转角和延伸链散布于整个蛋白质中，包含 2 个
功能结构域，即蔗糖合成功能域和糖基化合物转移功能域。
关键词 蔗糖合成酶; 水溶性；生物信息学
糖在植物生长、发育和代谢中，既是光合作
用的产物，又是呼吸作用的底物，是植物生长发
育过程中碳骨架和能量的源泉以及植物抗逆性的基
础。糖代谢是整个生物代谢的中心，它沟通着蛋
白质代谢、脂类代谢、核酸代谢以及各类次生代
谢。植物蔗糖合成酶(sucrose synthase, SuSy)是
由分子量为 83~ 1 0 0 k D a 的亚基构成的四聚体
(Moriguchi和Yamaki 1988)，在植物体中有3种存
在方式，即细胞质中的可溶性 SuSy、附着在细
胞膜上的不溶性SuSy和与细胞骨架相结合的SuSy
(Winter和Huber 2000)，是植物蔗糖代谢过程中
的关键酶，其催化反应为：果糖+ U D P G 蔗糖+
UDP，既可以催化蔗糖合成，又可以催化蔗糖分
解，但通常认为分解作用是主要的(张明方和李志
凌2002)。以往的研究(Ruan 等 2003；Tanase 和
Yamaki 2000；Komatsu等2002；Dejardin等1997)
表明，其分解产物尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)可为
细胞壁构建和糖酵解代谢提供底物，同时也是支
链淀粉和直链淀粉合成的前体。此外，植物SuSy
与贮存器官(根、果实等)的贮存强度也有一定关
系(Zrenner等 1995；吕英民和张大鹏 2000)。植
物 SuSy 基因已分别从玉米、水稻、马铃薯、小
麦、大豆、甜菜、甘蔗、拟南芥、胡萝卜、
Mokara Yellow等植物中克隆(Werr等1985；Wang
等1992；Salanoubat和Belliard 1987；Marana等
1990；Barratt等2001；Hesse和Willmitzer 1996；
Lingle和Dyer 2001；Chopra等1992；Sebkova等
1995；Li 等 2004)。
核酸和蛋白质的计算机分析是分子生物学研究
的一项新技术，已逐渐形成一门由分子生物学、
生物数学、比较生物学和计算机信息处理技术相
结合的交叉学科——生物信息学(bioinformatics)，
其基本内容是用数据库和各类分析软件对生物大分
子的结构进行比较和统计分析，推导核苷酸和氨
基酸序列同源性并揭示分子的结构、功能和进化
关系(叶雄和张楚富2006)。本文以黑麦草(Lolium
perenne L.)为重点，对绿竹[Dendrocalamopsis
oldhamii (Munro) Keng F.]、菜豆(Phaseolus vul-
garis L.)、马铃薯(Solanum tuberosum L.)、颤杨
(Populus tremuloides Michx.)等植物中水溶性SuSy
基因的核苷酸序列和其推导氨基酸序列的组成成
分、理化性质、结构特征、功能等进行了初步
问题讨论 Discussion
植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月940
分析，为该基因的进一步研究提供一些资料。
材料与方法
数据资料来源于National Center for Biotech-
nology Information (NCBI)核酸及蛋白质数据库中已
注册的植物SuSy的核苷酸序列及其对应的氨基酸
序列，包括黑麦草(Lolium perenne L., AB232656、
BAE79815)、绿竹[Dendrocalamopsis oldhamii
(Munro) Keng F., AF412038、AAL50571]、菜豆
(Phaseolus vulgaris L., AF315375、AAN76498)、
马铃薯(Solanum tuberosum L., AY205302、
AAO67719)、颤杨(Populus tremuloides Michx.,
AY341026、AAR03498)、大麦(Hordeum vulgare
L., X65871、CAA46701)、小麦(Triticum aestivum
L., AJ001117、CAA04543)、水稻(Oryza sativa L.,
AK 10 05 46、CAA4 60 17 )、甘蔗(Sacc ha ru m
officinarum L., AF263384、AAM68126)、玉米
(Zea mays L., X02400、P04712)、芦苇[Phragmites
australis (Cav.) Trin. ex Steud., DQ296674]、郁金
香(Tulipa gesneriana L., CAA65639)。
依据DNAStar软件和http://www.ncbi.nlm.nih.
gov/、http:// www.ebi.ac.uk/、http://www.cbs.dtu.
dk/、http://cn.expasy.org/等网站提供的各类生物
信息学软件进行在线分析。核酸及氨基酸序列的
组成成分分析、理化性质分析、开放阅读框(open
reading frame, ORF)的查找和翻译均用DNAStar软
件进行；核苷酸和氨基酸序列的同源性比对用
Blast在线工具完成；氨基酸翻译后修饰、跨膜结
构域和亲水性/疏水性的分析用在线工具NetPhosK
1.0 Server、NetPhos 2.0 Server、TargetP 1.1
Server、TMHMM 2.0 Server、ProtScale 完成；
用 SOPM A 在线工具预测蛋白质的二级结构。
结果与讨论
1 核苷酸序列、氨基酸序列的组成成分和理化性
质分析
用DNAStar 软件的 ORF Finder、Editseq、
Protean程序分析黑麦草(AB232656、BAE79815)、
绿竹(AF412038、AAL50571)、菜豆(AF315375、
AAN76498)、马铃薯(AY205302、AAO67719)、颤
杨(AY341026、AAR03498)水溶性SuSy的核苷酸序
列及氨基酸序列的结果(表 1)表明，除黑麦草的
ORF、分子量、理论等电点高于或大于其它几种
植物外，绿竹、菜豆、马铃薯、颤杨水溶性SuSy
的 ORF、分子量、理论等电点均基本上一致；终
止密码子TAA、TAG、TGA 出现频率高；Leu、Glu、
Val、Ala、Gly是这几种植物SuSy氨基酸序列中含
量最为丰富的氨基酸，其平均含量分别为10.90%、
7.84%、6.79%、6.46%、6.27%；在颤杨 SuSy 氨
基酸组成中，酸性和碱性氨基酸的比例最高，分别
表1 不同植物SuSy的核酸序列以及推导的氨基酸序列组成成分和理化性质分析
终止 推导的氨基 分子量/ 氨基酸比例 /% 植物 ORF/bp pI密码子 酸残基数 kDa 碱性氨基酸 酸性氨基酸 亲水氨基酸 疏水氨基酸 带电氨基酸
黑麦草 2 658 TAA 　 885 100.388 6.81 　 11.53 　 12.20 　 24.07 　 36.27 　 32.54
绿竹 2 427 TAG 　 808 92.252 6.29 　 11.14 　 12.87 　 24.01 　 36.14 　 32.55
菜豆 2 418 TAA 　 805 92.023 6.03 　 11.18 　 13.66 　 22.48 　 37.02 　 32.92
马铃薯 2 436 TGA 　 811 92.775 6.23 　 11.22 　12.95 　 24.54 　 34.90 　 32.43
颤杨 2 418 TAA 　 805 92.522 6.27 　 11.93 　 13.79 　 22.73 　 35.65 　 34.78
　 含量最丰富的氨基酸/%
植物
Leu Glu Val Gly Ser Ala Lle Arg Lys
黑麦草 23.00 6.89 6.44 6.55 6.44
绿竹 11.01 7.05 6.06 6.55 6.81 6.06
菜豆 11.55 9.19 7.70 6.09 5.96 6.21
马铃薯 10.60 7.64 6.78 5.80 6.04 5.84 5.80
颤杨 10.93 8.45 6.96 6.34 6.21
植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月 941
为13.79%、11.93%；在马铃薯和菜豆总氨基酸中，
亲水的(hydrophilic)氨基酸和疏水的(hydrophobic)氨
基酸的比例最高，分别为 24.54%、37.02%。
2 核酸及氨基酸序列的比对分析
用 Blast 程序比对黑麦草与其它植物水溶性
SuSy的核酸及氨基酸序列同源性的结果表明，黑
麦草水溶性SuSy的核酸序列与其它植物的核酸序
列如大麦(X65871)、小麦(AJ001117)、绿竹
( A F 4 1 2 0 3 8 ) 、水稻( A K 1 0 0 5 4 6 ) 、甘蔗
(AF263384)、玉米(X02400)和芦苇(DQ296674)等
有较高的同源性，分别为 9 8 % 、9 3 % 、8 9 % 、
87 %、87%、86%、86%；对蛋白质 - 蛋白质的
Blastp (protein-protein blast)比对来说，同源谱的
相似性更大，即黑麦草水溶性SuSy的氨基酸序列
与其它植物的氨基酸序列相似性更大，如与大麦
( C A A 4 6 7 0 1 ) 、小麦( C A A 0 4 5 4 3 ) 、绿竹
( A A L 5 0 5 7 1 ) 、水稻( C A A 4 6 0 1 7 ) 、甘蔗
(AAM68126)、玉米(P04712)、郁金香(CAA65639)
的一致性分别为 98%、95%、92%、91%、92%、
9 2 % 、8 0 % 。与绿竹、菜豆、马铃薯、颤杨中
水溶性SuSy的核酸及氨基酸序列的比对结果与此
类似，即不同植物的氨基酸序列比核酸序列有更
大的相似性。
3 疏水性/亲水性的预测和分析
氨基酸是蛋白质的构件分子，自然界中存在
的成千上万种蛋白质的结构和功能的多样性归根结
底是由20种常见氨基酸的内在性质造成的。疏水
性是20种氨基酸都具有的特性，即氨基酸远离周
围水分子，将自已包埋进蛋白质核心的相对趋
势。这一趋势加上空间立体条件和其它一些因
素，决定了一个蛋白质最终折叠成的三维空间构
象。此外，通过了解肽链中不同肽段的疏水性，
可以对跨膜蛋白的跨膜结构域进行预测。因此，
在预测蛋白质次级结构和分析功能结构域时，可
以参考疏水性/亲水性的预测和分析的结果进行。
为此，用ProtScale预测黑麦草水溶性SuSy氨基
酸序列的疏水性/亲水性(Kyte和Doolittle 1982)的
结果(图1)表明，多肽链第613位的天冬氨酸(Asp)
具有最低的分值-3.400；第846位的丙氨酸(Ala)
具有最高的分值2.989。依据氨基酸分值越低亲水
性越强和分值越高疏水性越强(参考软件ProtScale)
的规律，可以看出，在第 613 位的 Asp 亲水性最
强，第 846 位的 Ala 疏水性最强，而就整体来看
(图1)，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，没有明显的疏水区域，可认为黑麦草SuSy
是亲水性蛋白。对绿竹、菜豆、马铃薯、颤杨
水溶性 SuSy 氨基酸序列的疏水性 / 亲水性分析，
也得到类似的结果。
4 翻译后修饰的预测和分析
多肽链在核糖体上合成释放后，一般要经
过翻译后修饰如糖基化、甲基化、磷酸化等才
能正确折叠形成有效的三维构象，并运输到特定
场所发挥功能。翻译后修饰的预测和分析，对
图1 ProtScale对黑麦草SuSy序列疏水性/亲水性的预测
植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月942
正确认识和理解蛋白质的细胞定位和功能划分很重
要。用NetPhosK 1.0 Server和NetPhos 2.0 Server
对黑麦草水溶性SuSy的翻译后修饰预测(Blom等
2004)的结果(图2)表明，整个多肽链中分值在0.5
以上的氨基酸位点有 48 个，依据分值大于 0.5
(threshold)的氨基酸位点都是磷酸化位点(参考软件
NetPhos 2.0 Server)，可知黑麦草SuSy的磷酸化
位点有 48 个，而且均匀分布于整个多肽链中(图
图2 NetPhos 2.0对黑麦草SuSy氨基酸序列翻译后的磷酸化修饰预测
图4 黑麦草SuSy二级结构的预测
蓝色：a - 螺旋；红色：延伸链；绿色：b - 转角；紫色：不规则卷曲。
2)。Winter和Huber (2000)认为，磷酸化作用有利
于SuSy 可溶性构象的形成。据此可以推断，黑麦
草SuSy 是水溶性的。对绿竹、菜豆、马铃薯、颤
杨的SuSy 氨基酸序列分析，也得到同样的结果。
5 导肽的预测和分析
在核糖体上合成的蛋白质或者留在细胞质
中，或者运送到其它细胞器，并形成有功能的空
间构象后才能发挥其功能。导肽是一段引导新合
成的肽链进入细胞器的识别序列。因此，导肽的
预测和分析，对正确认识蛋白质的亚细胞定位与
功能作用途径和机制有一定的意义。为此，用
TargetP 1.1 Server预测黑麦草水溶性SuSy氨基酸
序列的导肽(Emanuelsson等2000)的结果表明，此
序列含有线粒体导肽的分值最高(0.854)，预测的
可靠性等级为3，线粒体导肽包含33 个氨基酸残
基。对绿竹、菜豆、马铃薯、颤杨水溶性SuSy 氨
基酸序列分析，也得到相同的结果，即这些植物
的水溶性 SuSy 存在导肽酶切位点和线粒体导肽。
图3 TMHMM 2.0 Server对黑麦草SuSy序列
跨膜结构域(箭头所示)的预测
植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月 943
6 跨膜结构域的预测和分析
跨膜结构域是膜中蛋白与膜脂结合的主要部
位，一般由20个左右的疏水氨基酸残基组成，形
成 a - 螺旋，固着于细胞膜上起“锚定”作用。
跨膜结构域的预测和分析，对认识蛋白质的结
构、功能、分类以及在细胞中的作用部位均有一
定的意义。用TMHMM 2.0 Server 预测(Ikeda 等
2002)黑麦草水溶性SuSy氨基酸序列的跨膜结构域
的结果(图3)表明，整条肽链跨膜结构域的可能性
均小于1，而软件默认可能性大于1才具有跨膜结
构，因此，预测的可能存在的3个跨膜结构域(箭
头所示)并不跨膜，黑麦草的水溶性 SuSy 不存在
跨膜结构域，属于非跨膜蛋白类。对绿竹、菜
豆、马铃薯、颤杨水溶性 SuSy 氨基酸序列的跨
膜结构域分析，也得到类似的结果。
7 二级结构的预测和分析
蛋白质的生物学功能是蛋白质分子天然构象
所具有的性质，由其高级结构所决定，高级结构
则是由一级结构即氨基酸顺序决定，而氨基酸顺
序是由遗传物质 DNA 的碱基顺序规定的。氨基酸
的多肽链借助氢键排列成沿一维方向而呈现有规则
的重复构象的二级结构，是氨基酸顺序与三维构
象之间的桥梁。二级结构借助范德华力、氢键、
静电和疏水等相互作用形成蛋白质的三级结构，
从而发挥正常的生物学功能。据此，用 S O P M A
预测黑麦草水溶性 SuSy 氨基酸序列的二级结构
(Geourjon和Deleage 1995)的结果(图4)显示，a-
螺旋和不规则卷曲是黑麦草水溶性SuSy最大量的
结构元件，而b-转角和延伸链则散布于整个蛋白
质中。统计表明，黑麦草水溶性SuSy的二级结构由
47.80%的a-螺旋、28.02%的不规则卷曲、15.93%
的延伸链和8.25%的 b-转角组成。这些结果在绿
竹、菜豆、马铃薯和颤杨 SuSy 二级结构中也有
相同的表现。
8 功能域的预测和分析
蛋白酶由多个模体组成，组成这些模体的氨
基酸区段行使特异的功能，同时还蕴含着各自的
遗传进化信息。在分析黑麦草水溶性SuSy氨基酸
序列功能域(图5)中，得到的结果与卢合全等在棉
花中的SuSy功能结构特征一致(卢合全等2005)，
即黑麦草水溶性SuSy具有2个功能域：N端6~550
肽段与蔗糖合成(sucrose_synth)功能区段配对几率
为100% (NCBI 计算值)，起催化尿苷二磷酸葡萄
糖和果糖合成蔗糖的功能；C 端 554~742 肽段与
糖基转移(glycos_transf_1)功能区段配对几率为
98.8% (NCBI 计算值)，行使糖基化合物(UDP、
ADP、GDP 或 CMP )转移功能，可将具备活性的
糖基转移至糖原、果糖 -6 - P、脂多糖。
图5 黑麦草SuSy氨基酸序列功能域分析
sucrose_synth：蔗糖合成功能区段；Glycos_transf_1：糖基转移功能区段。
总之，本文从生物信息学角度，以黑麦草为
主要分析对象，对不同植物中水溶性SuSy基因的
核苷酸序列及其推导的氨基酸序列结构特征进行分
析，同时，对其整个肽链的亲水性、疏水性、
可能的亚细胞定位、二级结构进行了预测，并对
其功能结构域进行了分析。上述虽属推断和预
测，但为进一步研究蛋白质的高级结构及探寻水
溶性SuSy的潜在功能和了解整个糖代谢，可能有
一定的参考价值。
参考文献
卢合全, 沈法富, 刘凌霄, 孙维方(2005). 棉花蔗糖合成酶(SuSy)
分子结构特征与功能预测分析. 西北植物学报, 25 (7): 1372~
1376
吕英民, 张大鹏(2000). 果实发育过程中糖的积累. 植物生理学通
讯, 36 (3): 258~265
叶雄, 张楚富(2006). 生物信息学在植物谷氨酰胺合成酶同工酶
基因研究中的应用. 植物生理学通讯, 42 (1): 115~121
张明方, 李志凌(2002). 高等植物中与蔗糖代谢相关的酶. 植物
生理学通讯, 38 (3): 289~295
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
Blom N, Sicheritz-Ponten T, Gupta R, Gammeltoft S, Brunak S
(2004). Prediction of post-translational glycosylation and
phosphorylation of proteins from the amino acid sequence.
植物生理学通讯 第42卷 第5期，2006年10月944
Proteomic, 4 (6): 1633~1649
Chopra S, Delfavero J, Dolferus R, Jacobs M (1992). Sucrose
synthase of Arabidopsis thaliana: genomic cloning and se-
quence characterization. Plant Mol Biol, 18: 131~134
Dejardin A, Rochat C, Wuillem S, Bouthin J-P (1997). Contribu-
tion of sucrose synthase, ADP-glucose pyrophosphorylase
and starch synthase to starch synthesis in developing pea
seeds. Plant Cell Environ, 20: 1421~1430
Emanuelsson O, Nielsen H, Brunak S, von Heijne G (2000).
Predicting subcellular localization of proteins based on their
N-terminal amino acid sequence. J Mol Biol, 300: 1005~1016
Geourjon C, Deleage G (1995). SOPMA: significant improvement
in protein secondary structure prediction by consensus pre-
diction from multiple alignments. Comput Appl Biosci, 11
(6): 681~684
Hesse H, Willmitzer L (1996). Expression analysis of a sucrose
synthase gene from sugar beet (Beta vulgaris L.). Plant Mol
Biol, 30: 863~872
Ikeda M, Arai M, Lao DM, Shimizu T (2002). Transmembrane
topology prediction methods: a re-assessment and improve-
ment by a consensus method using a dataset of experimen-
tally-characterized transmembrane topologies. In Silico Biol,
2 (1): 19~33
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: 61~71
Kyte J, Doolittle RF (1982). A simple method for displaying the
hydropathic character of a protein. J Mol Biol, 157 (6):
105~132
Li CR, Zhang XB, Huang CH, Hew CS (2004). Cloning, character-
ization and tissue specific expression of a sucrose synthase
gene from tropical epiphytic CAM orchid Mokara Yellow. J
Plant Physiol, 161: 87~94
Lingle SE, Dyer JM (2001). Cloning and expression of sucrose
synthase-1 cDNA from sugarcane. Plant Physiol, 158: 129~131
Marana C, Garcia OF, Carbonero P (1990). Different expression
of two types of sucrose synthase-encoding genes in wheat in
response to anaerobiosis, cold shock and light. Gene, 88:
167~172
Moriguchi T, Yamaki S (1988). Purification and characterization
of sucrose synthase from peach (Prunus persica) fruit. Plant
Cell Physiol, 29: 1361~1366
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
Salanoubat M, Belliard G (1987). Molecular cloning and sequencing
of sucrose synthase cDNA from potato (Solanum tuberosum
L.): preliminary characterization of sucrose synthase mRNA
distribution. Gene, 60: 47~56
Sebkova V, Unger C, Hardegger M (1995). Biochemical,
physiological, and molecular characterization of sucrose syn-
thase from Daucus carota. Plant Physiol, 108: 75~83
Tanase K, Yamaki S (2000). Purification and characterization of
two sucrose synthase isoforms from Japanese pear fruit. Plant
Cell Physiol, 41: 408~414
Wang AY, Yu WP, Juang RH, Sung HY, Su JC (1992). Presence of
three rice sucrose synthase genes revealed by cloning and
sequencing of CDNA. Plant Mol Biol, 18: 1191~1194
Werr W, Frommer WB, Maas C, Starlinger P (1985). Structure of
the sucrose synthase gene on chromosome 9 of Zea mays L.
EMBO J, 4: 1373~1380
Winter H, Huber SC (2000). Regulation of sucrose metabolism in
higher plants: localization and regulation of activity of key
enzymes. Crit Rev Plant Sci, 19: 31~67
Zrenner R, Salanoubat M, Willmitzer L, Sonnewald U (1995).
Evidence of the crucial role of sucrose synthase for sink
strength using transgenic potato plants (Solanum tuberosum
L.). Plant J, 7: 97~107