全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月776
植物 6-磷酸山梨醇脱氢酶
陈冬冬 1, 郭旭辉 1, 刘卫群 1,2,*
河南农业大学 1国家烟草栽培生理生化重点实验室, 2生命科学学院, 郑州 450002
Sorbitol-6-Phosphate Dehydrogenase in Plants
CHEN Dong-Dong1, GUO Xu-Hui1, LIU Wei-Qun1,2,*
1National Key Lab of Tobacco Culture and Physiology and Chemistry, 2College of Life Sciences, Henan Agricultural University,
Zhengzhou 450002, China
提要: 6-磷酸山梨醇脱氢酶是植物合成山梨醇的关键酶。文章从酶学特性、山梨醇转化、碳水化合物代谢等方面对 6-磷
酸山梨醇脱氢酶的研究进展以及此酶的某些应用研究情况作介绍。
关键词: 6-磷酸山梨醇脱氢酶; 酶学特性; 山梨醇转化; 碳水化合物代谢
收稿 2008-04-17 修定 2008-05-30
资助 河南省自然科学基金(2 00 721 00 15 )。
* 通讯作者(E-mail: liuweiqun2004@126.com; Tel: 0371-
6 3 5 5 8 7 2 2 )。
6-磷酸山梨醇脱氢酶(sorbitol-6-phosphate
dehydrogenase, S6PDH, EC 1.1.1.200)是合成山梨醇
的关键酶(Teo等 2006; Chong等 2007)。山梨醇是
蔷薇科木本植物中主要光合产物和贮运物质, 起其
他植物中蔗糖的作用, 与提高植物抗逆性、改善果
实风味等诸多方面有密切关系。近年来, 人们用基
因工程技术将 S6 PD H 的 cDN A 分别导入烟草
(Nicotiana tabacum) (Tao等 1995; Deguchi等
2006)、水稻(Oryza sativa L.) (王慧中等 2000)后,
其转基因植物也可以合成山梨醇, 遗传性状也有所
改变。这表明 S6PDH不仅对蔷薇科植物, 而且对
其他植物的生长发育也可能起调控作用。本文就
近年来有关S6PDH的酶学特性和其在植物体内的
功能研究进展作介绍。
1 S6PDH的酶学特性
S6PDH又称醛糖 6-磷酸还原酶(aldose 6-
phosphate reductase, A6PR, EC 1.1.1.200) (Negmand
和 Loescher 1981), 主要分布于植物叶绿体和胞液
中(Kanayama等 1995)。在果实中此酶一般以同型
二聚体形式存在, 每条多肽的分子量为36 kDa (Hirai
1981; Kanayama和Yamaki 1993)。此酶催化反应
如下:
　　6-磷酸山梨醇脱氢酶+NADP S6PDH 6-磷酸葡
萄糖+NADPH+H+
蔷薇科植物叶片中的S6PDH在光合组织中催
化 6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate, G6P)还原生
成 6-磷酸山梨醇(sorbitol-6-phosphate, S6P)的反应
能力大于催化 6-磷酸山梨醇氧化生成 6-磷酸葡萄
糖的能力(李嘉瑞和马锋旺 1 9 9 1 ; Y a ma da 等
2006b)。Hirai (1979, 1981)研究枇杷(Eriobotrya
japonica L.)叶中 S6PDH特性的结果表明: S6PDH
对 S6P和 G6P的 Km值分别为 2.22 mmo1·L-1和
11.6 mmo1·L-1, 对NADP+和NADPH的 Km值分别
为 13.5 µmo1·L-1和 1.61 µmo1·L-1, 说明 S6P是
S6PDH的最适底物, 但对NADPH的亲和力大于
N A D P +, 因此整体反应倾向于逆反应。此外,
S6PDH催化S6P氧化的最适pH为9.8, 平衡常数为
5.12×10-10, 而G6P还原在 pH 7~9的范围都有最大
酶活性, 这进一步证明在中性pH条件下, G6P还原
反应比 S6P氧化反应更有效率。
苹果(Malus domestica Borkh. cv. ‘Greensleeves’)
实生苗的研究中也呈现同样的趋势, 并且ATP强烈
抑制G6P的还原, ADP与NADPH竞争性抑制G6P
的还原。当向反应体系加入 3 mmo1·L-1 ATP时,
还原的活性受抑制 44%, 加入 3 mmo1·L-1 ADP时,
还原的活性受抑制 34%; 二价的金属离子如 Zn2+
(0.3 mmo1·L- 1)等对 G6P也有较大的抑制作用
(Kanayama和Yamaki 1993)。
2 山梨醇的转化及与其相关的酶
山梨醇是一种糖醇, 作为一种小分子渗透物质,
可以改变细胞渗透势, 从而可以提高植物抗寒、抗
旱、抗盐和抗硼亏缺的能力(Yamaki 1980; Bellaloui
等 1999; 王慧中等 2000)。从G6P到合成山梨醇
途径中与山梨醇转化相关的酶有 S6PDH、6-磷酸
←——→
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山梨醇磷酸酯酶(sorbitol-6-phosphate phosphatase,
S6PPP, EC 3.1.3.50)、依赖于NADP的山梨醇脱
氢酶(NADP-dependent sorbitol dehydrogenase,
NADP-SDH, EC 1.1.1.14)和山梨醇氧化酶(sorbitol
oxidase, SOX)以及依赖于 NAD的山梨醇脱氢酶
(NAD-dependent sorbitol dehydrogenase, NAD-SDH,
EC 1.1.1.14) (Grant和 Rees 1981; 李嘉瑞和马锋旺
1991)。其反应如图 1所示。
S 6 PD H 在光合组织中促使 G 6 P 生成 S 6 P
(Yamaki 1980; Kanayama等 1998), 而 S6P向山梨
醇的转化是由特定的磷酸酯酶即 S6PPP催化完成
的。山梨醇在 SDH和 SOX的作用下, 生成葡萄
糖、果糖(Yamada等 2006a, b) (图 1)。植物体内
S6PDH的活性大小或S6PDH基因表达的程度直接
与植物体内山梨醇、葡萄糖、果糖含量关系密切,
山梨醇的积累可以作为影响植物体内碳水化合物分
布和运输的信号(Sheveleva等 1998)。
此外, 梨树(Pyrus communis L. var. sativa)和枇
图 1 植物山梨醇代谢相关酶示意图(Grant和Rees 1981; 李嘉瑞和马锋旺 1991)
杷的果实(Hirai 1979)中也有 S6PDH, S6PDH活性
大于NAD-SDH, 表明果实中S6PDH有助于山梨醇
积累, 改变果实中碳水化合物的种类(Hansen和
Ryugo 1979; Yamada等2006a), 但是其具体过程和
机制尚不清楚, 有待进一步研究。
3 S6PDH与碳水化合物代谢
Yamada等(2006b)的研究表明在梨树的功能叶
片中, S6PDH的表达量及其酶活性高于蔗糖磷酸合
成酶(sucrose phosphate synthase, SPS, EC 2.4.1.14)
10倍, SPS活性受 S6P抑制(Zhou等 2002), 而 S6P
正是 S6PDH的催化产物。在植物体中, SPS是以
UDPG为供体, 以 6-磷酸果糖为受体催化 6-磷酸
蔗糖合成的糖基转移酶。而 SPS的活力大小直接
影响光合产物的分配, 其活力大小与淀粉积累呈负
相关, 与蔗糖形成呈正相关(刘凌霄等 2005)。植
物生长发育进程受糖的调控, 蔗糖及其衍生物能被
植物细胞感知进而调控基因表达和影响生理生化
进程, 其作为强有力的信号分子的见解现已经为人
们所接受(陈俊伟等 2002, 2005), S6PDH通过对
SPS的抑制, 减少蔗糖浓度, 从而调节植物的生长
发育。
近年来, S 6 P D H 基因转入烟草、日本柿
(Diospyros kaki Thunb.)中的工作表明, S6PDH过
量表达, 积累过多的山梨醇, 会导致转基因植物光
合能力下降, 抑制其生长发育, 甚至死亡, 且转基因
植物中S6PDH过量表达还会导致叶中淀粉含量的
明显增高(Sheveleva等 1998; Gao等 2001)。这进
一步说明S6PDH活性增强可以改变植物光合产物
的正常代谢途径, 有人把非蔷薇科植物中过量积累
的山梨醇称为终极产物(dead-end product)。为了
缓解S6PDH过量表达对植物生长发育造成的影响,
Deguchi等(2006)将苹果中编码 S6PDH和 NAD-
SDH的cDNA同时转化烟草后, 发现山梨醇也有一
定量的积累, 但山梨醇可在SDH的作用下, 转化为
果糖, 这样烟草植株可以正常生长。这说明如果导
入NAD-SDH基因, 则可以促使山梨醇转化为果糖,
植物即能正常生长。图 2显示的是苹果体内山梨
醇与其他碳水化合物代谢的关系, 山梨醇和蔗糖在
源(功能叶片)中是由6-磷酸葡萄糖生成的, S6PDH
和SDH是山梨醇代谢过程中的关键酶, 蔗糖和山梨
醇运输到库(果实、种子、根、老叶)后, 山梨醇
在SDH作用下转化为果糖, 蔗糖则在转化酶(NIN、
VIN)催化下生成果糖和葡萄糖, 淀粉的合成与分解
也可以在库(果实)中进行(王玉华等 2004; Teo等
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2006; Zhou等 2006)。
4 S6PDH的应用
自1992年在苹果叶片中克隆到S6PDH基因后
(Kanayama等 1992), S6PDH基因的研究不断深
入。S6PDH与改善果实风味和提高植物抗逆性有
密切关系。归纳起来有以下 3 个方面。
4.1 改善果实风味 在蔷薇科植物中, 山梨醇起与蔗
糖相同的作用, 果实的味道在很大程度上决定于山
梨醇转变成糖的类型(李嘉瑞和马锋旺 1991)。目
前, S6PDH已成为果树生理研究中的热点。
Teo等(2006)采用基因沉默技术抑制 S6PDH
后, 苹果的碳代谢过程中的山梨醇却会影响淀粉积
累、糖和酸性物质之间的平衡等与品质相关的物
质。此外, Yamada等(2006b)在研究不同发育期梨
树叶中 S6PDH 酶活性过程中, 发现成熟叶中的
S6PDH活性高于幼嫩叶片, 随着叶片的发育成熟,
S6PDH活性也增强, 且 S6PDH活性与 CO2的同化
吸收、碳水化合物的输出明显相关。
4.2 提高植物逆境适应的能力 山梨醇有清除自由
基的能力, 它可以保护细胞免受羟自由基的损害。
此外, 山梨醇是糖醇类物质, 而糖醇是相容性溶质,
所以其在渗透调节和渗透保护中起作用(Sheveleva
等 1998)。植物中导入 S6PDH基因可以提高其适
应逆境的能力(Deguchi等 2004)。
Gao等(2001)用农杆菌介导方法将 S6PDH基
因导入柿中后, 气相色谱检测到的山梨醇含量在14.5~
61.5 mmol·g-1 (FW)之间。从中分别挑选高、中
含量山梨醇和不含山梨醇的植株进行耐盐性试验,
可以检测到叶绿素荧光参数, 山梨醇含量高的植株
其 Fv/Fm下降幅度较少, 这也说明山梨醇积累可以
提高植物的耐盐性。此外, 王慧中等(2002)以水稻
幼胚为外植体, 在建立的高效分化体系的基础上, 用
基因枪转化技术将外源S6PDH基因导入水稻后置
于0.5%氯化钠盐池中进行耐盐试验的结果表明, 转
基因植株对氯化钠表现出较强的耐性, 约半数可正
常结实。在其他植物中的实验也有类似结果, 如在
烟草、柿子和苹果中导入 S6PDH基因后, 这些植
物对硼亏缺、盐和旱的抗性均可提高(Tao等1995;
Sheveleva等 1998; Teo等 2006)。
4.3 促进硼素吸收和运输 S6PDH对植物的硼吸收
图 2 苹果体内碳水化合物的代谢途径(Teo等 2006)
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和运输也有影响。硼是植物必需的微量元素, 在植
物生长、发育过程中起着其他元素不可替代的作
用。植物体内的硼素的移动有助于提高其对土壤
中硼素营养缺失的抗性, 富含山梨糖醇的植物体中
硼易于移动, 尤其是在低硼胁迫时; 山梨糖醇含量
低的植物, 其硼难以移动(Brown和 Shelp 1997)。
Bellaloui (1999)和Brown等(1999)采用转S6PDH基
因烟草研究山梨醇含量与硼素吸收之间关系的结果
显示: 转基因烟草的幼嫩叶片可以重复使用衰老叶
片和叶面喷施的硼素, 以满足自身生长的需要; 而
非转基因烟株则不能重复使用衰老组织中的硼素以
维持幼嫩组织的生长。山梨醇含量与韧皮部中硼
的移动强度有关, 可以保证缺硼土壤中生长的烟株
产量, 而且转基因烟株还能更好地利用成熟组织中
的硼和叶面喷施的硼。
5 结语
植物中糖的合成、运输与分配是一个复杂的
过程, 并受植物自身发育和环境信号的调控, 糖本
身作为信号分子也可以通过调控相关基因的表达来
调节植物自身的生长发育过程(Smeekens 2000; 谢
祝捷等 2002; Gibson 2004; Yamada等 2006a, b;
Veyres等 2008)。在大多数情况下, 蔗糖的这种作
用可完全为己糖(例如果糖和葡萄糖)替代(Koch
1996; Jang等 1997)。S6PDH作为催化G6P和 S6P
相互转变的酶, 其在调节植物生长发育过程中的作
用和机制尚不清楚, 尤其在非蔷薇科植物中的研究
还鲜见报道。S6PDH在调节植物碳水化合物代谢
中作用也有待深入研究。
参考文献
陈俊伟, 谢鸣, 秦巧平(2005). 植物糖信号与激素信号之间的联
系. 植物生理学通讯, 4l (3): 279~285
陈俊伟, 张上隆, 张良诚(2002). 糖对源库关系的调控与植物糖
信号转导途径. 细胞生物学杂志, 24 (5): 266~270
李嘉瑞, 马锋旺(1991). 蔷薇科果树山梨醇的研究. 果树科学, 8
(2): 111~115
刘凌霄, 沈法富, 卢合全, 韩庆点, 刘国云(2005). 蔗糖代谢中蔗
糖磷酸合成酶( SP S)的研究进展. 分子植物育种, 3 (2 ) :
275~281
王慧中, 黄大年, 鲁瑞芳, 刘俊君, 钱前, 彭学贤(2000). 转mtlD/
gutD双价基因水稻的耐盐性. 科学通报, 45 (7): 724~729
王慧中, 卢德赵, 颜美仙, 钱前, 黄大年(2002). 6-磷酸山梨醇脱
氢酶基因转化水稻(Oryza sativa L.)研究. 科学通报, 18 (6):
441~445
王玉华, 杨清, 陈敏(2004). 植物糖感知和糖信号传导. 植物学通
报, 21 (3): 273~279
谢祝捷, 姜东, 戴廷波, 曹卫星(2002). 植物的糖信号及其对碳氮
代谢基因的调控. 植物生理学通讯, 4l (4): 399~405
Bellaloui N, Brown PH, Dandekar AM (1999). Manipulation of in
vivo sorbitol production alters boron uptake and transport in
tobacco. Plant Physiol, 119: 735~741
Brown PH, Bellaloui N, Hu H, Dandekar A (1999). Transgenically
enhanced sorbitol synthesis facilitates phloem boron trans-
port and increases tolerance of tobacco to boron deficiency.
Plant Physiol, 119: 17~20
Brown PH, Shelp BJ (1997). Boron mobility in plants. Plant Soil,
193: 85~101
Chong BF, Bonnett GD, Glassop D, O’Shea MG, Brumbley SM
(2007). Growth and metabolism in sugarcane are altered by
the cr ea t ion of a new hexose-phospha te sink . Plant
Biotechnol J, 5 (2): 240~253
Deguchi M, Bennett AB, Yamaki S, Yamada K, Kanahama K,
Kanayama Y (2006). An engineered sorbitol cycle alters
sugar composition, not growth, in transformed tobacco. Plant
Cell Environ, 29: 1980~1988
Deguchi M, Koshita Y, Gao M, Tao R, Tetsumura T, Yamaki S,
Kanayama Y (2004). Engineered sorbitol accumulation in-
duces dwarfism in Japanese persimmon. Plant Physiol, 161:
1177~1184
Gao M, Tao R, Miura K, Dandekar AM, Sugiura A (2001). Trans-
formation of Japanese persimmon (Diospyros kaki Thunb.)
with apple cDNA encoding NADP-dependent sorbitol-6-phos-
phate dehydrogenase. Plant Sci, 160 (5): 837~845
Gibson SI (2004). Sugar and phytohormone response pathways:
navigating a signalling network. J Exp Bot, 55: 253~264
Grant CR, Rees T (1981). Sorbitol metabolism by apple seedings.
Phytochemistry, 20 (7): 1505~1511
Hansen P, Ryugo K (1979). Translocation and metabolism of
carbohydrate fraction of 14C-photosynthates in ‘French’
prune, Prunus domestica L.. J Am Soc Hort Sci, 104: 622~625
Hirai M (1979). Sorbitol-6-phosphate dehydrogenase from lo-
quat fruit. Plant Physiol, 63: 715~717
Hirai M (1981). Purification and characteristics of sorbitol-6-
phosphate dehydrogenase from loquat leaves. Plant Physiol,
67: 221~224
Jang JC, Leon P, Zhou L, Sheen J (1997). Hexokinase as a sugar
sensor in higher plants. Plant Cell, 9: 5~19
Kanayama Y, Mori H, Imaseki H, Yamaki S (1992). Nucleotide
sequence of a cDNA encoding NADP-sorbitol-6-phosphate
dehydrogenase from apple. Plant Physiol, 100: 1607~1608
Kanayama Y, Sakanishi K, Mori H, Yamaki S (1995). Expression
of the gene for NADP-dependent sorbitol-6-phosphate de-
hydrogenase in apple seedlings. Plant Cell Physiol, 36:
植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月780
1139~1141
Kanayama Y, Sakanishi K, Mori H, Yamaki S (1998). Molecular
biology of sugar metabolism and its regulation in fruit. J Jpn
Soc Hort Sci, 67: 1203~1208
Kanayama Y, Yamaki S (1993). Purification and properties of
NADP-dependent sorbitol-6-phosphate dehydrogenase from
apple seedlings. Plant Cell Physiol, 34 (6): 819~823
Koch KE (1996). Carbohydrate modulated gene expression in
plants. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 47: 509~
540
Negmand FB, Loescher WH (1981). Characterization and partial
purification of aldose-6-phosphate reductase (a lditol-6-
phosphate: NADP 1-oxidoreductase) from apple leaves. Plant
Physiol, 67: 139~142
Sheveleva EV, Marquez S, Chmara W, Zegeer A, Jensen RG,
Bohnert HJ (1998). Sorbitol-6-phosphate dehydrogenase
expression in transgenic tobacco. Plant Physiol, 117:
831~839
Smeekens S (2000). Sugar-induced signal transduction in plants.
Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 51: 49~81
Tao R, Uratsu SL, Dandekar AM (1995). Sorbitol synthesis in
transgenic tobacco with apple cDNA encoding NADP de-
pendent sorbitol-6-phosphate dehydrogenase. Plant Cell
Physiol, 36: 525~532
Teo G, Suzuki Y, Sandie L, Lampinen UB, Ormonde N, Hu WK,
DeJong TM, Dandekar AM (2006). Silencing leaf sorbitol
synthesis alters long-distance partitioning and apple fruit
quality. Proc Natl Acad Sci USA, 103 (49): 18842~18847
Veyres N, Danon A, Aono M, Galliot S, Karibasappa YB, Diet A,
Grandmottet F, Tamaoki M, Lesur D, Pilard S et al (2008).
The Arabidopsis sweetie mutant is affected in carbohydrate
metabolism and defective in the control of growth, develop-
ment and senescence. Plant J, 55: 665~686
Yamada K, Suzue Y, Hatano S, Tsukuda M, Kanayama Y, Shiratake
K, Yamaki S (2006a). Changes in the activity and gene ex-
pression of sorbitol- and sucrose-related enzymes associated
with development of ‘La France’ pear fruit. Jpn Soc Hort Sci,
75 (1): 38~44
Yamada K, Suzue Y, Hatano S, Tsukuda M, Kanayama Y, Shiratake
K, Yamaki S (2006b). Changes in the activity and gene ex-
pression of sorbitol- and sucrose-related enzymes with leaf
development of ‘La France’ pear. J Jpn Soc Hort Sci, 75 (1):
45~50
Yamaki S (1980). Property of sorbitol-6-phosphate dehydroge-
nase and its connection with sorbitol accumulation in apple.
HortScience, 15: 268~270
Zhou R, Cheng L, Dandekar AM (2006). Down-regulation of
sorbitol dehydrogenase and up-regulation of sucrose syn-
thase in shoot tips of the transgenic apple trees with decreased
s o r b i t o l s y n t h e s i s . J E x p B o t , 5 7 ( 1 4 ) : 3 6 4 7 ~
3657
Zhou R, Sicher RC, Quebedeaux B (2002). Apple leaf sucrose-
phosphate synthase is inhibited by sorbitol-6-phosphate.
Funct Plant Biol, 29: 569~574