全 文 ：武汉植物学研究 2002, 20 (3) : 219～ 222
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
蔗糖对水稻幼苗叶片谷氨酰胺合成酶和
1, 5 2二磷酸核酮糖羧化酶ö加氧酶的影响Ξ
袁永泽　林清华　张楚富ΞΞ　王其海　魏国威
(武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉　430072)
摘　要: 报道了在光照和暗处培养下, 不同浓度的蔗糖对水稻幼苗叶片 GS 及其同工酶、1, 52二磷酸核酮糖羧化酶ö加氧酶 (R ubisco)的影响。无论是在光照或在暗处, 蔗糖对 GS 活性均有抑制作用, 尤其是在较高蔗糖浓度下作用
更为明显; 虽然 R ubisco 及可溶性蛋白的水平在光照和暗处有显著的差别, 但蔗糖对其未见明显影响。N ative2
PA GE 与活性染色表明, 在光照下或在暗处, 蔗糖对 GS2 的抑制作用随蔗糖浓度升高而加强, 但对 GS1 未有明显
影响。这些结果提示, 在水稻幼苗生长中, 蔗糖不能象光一样诱导叶片 GS 活性及其同工酶表达。
关键词: 谷氨酰胺合成酶; 光; 1, 52二磷酸核酮糖羧化酶ö加氧酶; 水稻; 蔗糖
　　中图分类号: Q 945　　　　　文献标识码: A 　　　　　文章编号: 10002470X (2002) 0320219204
Effect of Sucrose on Glutam ine Syn thetase and R ibulose-1, 5-bisphos-
phate CarboxylaseöOxygenase in L eaves of R ice Seedl ings
YUAN Yong2Ze,L IN Q ing2H ua, ZHAN G Chu2Fu3 3 , W AN G Q i2H ai, W E I GUO 2W ei
(K ey L abora tory of M O E f or P lan t D evelopm en ta l B iology , W uhan U niversity , W uhan　430072, Ch ina)
Abstract: In the cu rren t repo rt, w e have invest iga ted that the effect of sucro se on GS and its
isozym es as w ell as ribu lo se21, 52b ispho sphate carboxylaseöoxygenase (R ub isco ) of the leaves of
rice seedlings. GS act ivity w as decreased w ith the increase of sucro se concen tra t ion s w hether the
illum inat ion of ligh t o r the dark. T he levels of the so lub le p ro tein s and R ub isco w ere no t obviou s2
ly influenced by sucro se at the illum inat ion of ligh t o r the dark although their changes w ere diffe2
ren t. N at ive2PA GE and act ivity sta in ing show ed that the inh ib it ion of sucro se to GS2 exp ression
w as strengthened w ith sucro se concen tra t ion s bu t GS1 w as no t clearly affected in the illum inat ion
of ligh o r the dark. T hese resu lts suggested that sucro se can no t induce the exp ression of GS in
leaves of rice seedlings as ligh t.
Key words: Glu tam ine syn thetase; L igh t; R ibu lo se21, 52b ispho sphate carboxylaseöoxygenase;
R ice; Sucro se
　　谷氨酰胺合成酶 (g lu tam ine syn thetase, GS) 是
高等植物氨同化的关键酶[1 ] , 在A T P 的存在下, 它
催化氨参入到谷氨酸上, 生成谷氨酰胺。大多数植物
叶片中存在两种不同类型的 GS, 即胞液型 GS1 和
叶绿体型 GS2[2 ] , 它们在氨的同化中起着非重叠的
作用[3 ]。GS1 主要同化内源性蛋白质降解和氨基酸
分解代谢产生的氨, 并可能在氮素的转运中起作
用[2 ]。GS2 则同化NO -3 经硝酸盐还原酶和亚硝酸盐
还原酶催化产生的氨以及光呼吸作用产生的氨的再
同化[2, 4 ]。高等植物 GS 的表达受到广泛的关注, 主ΞΞΞ 通讯作者。E2m ail: cfzhang@w hu. edu. cn收稿日期: 2001210209, 修回日期: 2002201222。基金项目: 国家自然科学基金资助 (编号: 39870527)。　　　作者简介: 袁永泽 (1976- ) , 男, 硕士生, 从事植物生化和分子生物学研究。
要集中在该酶不同发育上的调节以及光、氮素和其
它因素对该酶表达的影响[2 ]。
在高等植物中, 糖不仅作为细胞碳素代谢源和
细胞组分, 而且也作为与植物生长和发育有关过程
的重要的调节因子[5 ]。糖通常有利于与合成代谢有
关的酶的表达, 而对某些与光合作用相关的酶的合
成有抑制作用[6 ]。最近,O liveira 等人报道蔗糖等糖
类对拟南芥 GS 同工酶 (GS2 和 GS1) 的表达均有促
进作用, 与光有非常相似的效应[7 ]。
在水稻中业已检测到 4 种 GS 同工酶, 即根的
GSra 和 GSrb [8 ]以及叶片的 GS1 和 GS2[9 ]。GS1 和
GSra 两者看来都是组成性酶, 它们的表达很少受外
界的影响; GSrb 是一种由外源氮诱导表达的酶[8 ] ,
GS2 主要受光的诱导[9 ]。水稻是与拟南芥很不相同
的植物, 而且两者的生长周期和生长发育的环境也
很不相同。水稻 GS 及其同工酶是否也受外源糖的
影响, 是促进还是抑制? 在本研究中, 在水稻正常培
养所需的营养前提下, 添加不同浓度的蔗糖, 分别在
光照和暗处进行培养, 检测叶片 GS 及其同工酶的
活性变化以及可溶性蛋白和 1, 52二磷酸核酮糖羧
化酶ö加氧酶的变化, 分析产生变化的可能原因。
1　材料和方法
1. 1　材料的培养
水稻 (O ry z a sa tiva L. ) 汕优 60 由种子站购买。
种子经 110% (W öV ) H gC l2 溶液表面消毒后, 置于
蒸馏水中于 30℃浸泡 24 h, 将种子于 30℃暗处催芽
48 h, 然后将发芽的种子移栽到用营养液[8 ]配制的
016% (W öV )琼脂培养基上生长。培养基共 8 份, 分
为 2 组: 第一组置于白炽灯下光照培养, 光周期 14ö
10 h, 光照强度 100 Λmo l·m - 2õ s- 1; 第二组置于暗
处培养。每组 4 份, 蔗糖浓度 (W öV ) 分别为 0% ,
0105%、011% 和 2%。培养期间昼夜温度 30～ 25℃。
幼苗培养 12 d 后, 选择生长一致且健壮水稻幼苗,
剪下叶片, 立即用于酶液提取或在- 30℃短时间保
存。
1. 2　酶液的提取
按文献[ 8 ]介绍的方法从水稻幼苗叶片中提取
酶液, 所有样品均按每克鲜重加入 3 mL 抽提缓冲
液。
1. 3　GS 活性测定
按文献[ 8 ]介绍的方法测定 GS 的合成酶活性。
一个 GS 活性单位定义为每分钟于 37℃催化1 Λmo l
的Χ2谷氨酰异羟肟酸的产生所需的酶量。总 GS 活
性以每小时每克鲜重材料催化产生的 Χ2谷氨酰异
羟肟酸 Λmo l 数表示。
1. 4　GS 同工酶的分离与活性染色
叶片提取液中的 GS 同工酶的电泳分离及 GS
活性带的检测按文献[ 8 ]介绍的方法进行。
1. 5　SD S-PAGE 和 Rubisco 蛋白的检测
按文献[ 10 ]的方法进行。
1. 6　可溶性蛋白含量测定
按B radfo rd 介绍的方法[11 ]进行。
2　结果和分析
2. 1　蔗糖对水稻幼苗叶片 GS 活性的影响
GS 活性测定表明, 虽然在光照下的 GS 活性远
大于在暗处的活性, 但是分别与相应对照比较, 无论
是在光照或者在暗处, 不同浓度的蔗糖对 GS 活性
均有抑制作用 (图 1)。在光照下或在暗处, 与对照相
比, 在较低的蔗糖浓度 (0105% , 011% , W öV ) 下,
GS 活性下降并不显著, 分别只减少 8%。但是, 在较
高的蔗糖浓度 (2 % ) 下, GS 活性减少了 22% 左右。
虽然不同的光处理造成了 GS 活性的明显差异, 但
蔗糖浓度对 GS 活性的影响趋势则是十分相似的。
图 1　不同蔗糖浓度对生长在光照 (A)和
暗处 (B)的水稻幼苗叶片 GS 活性的影响
F ig11　T he effect of the differen t concen tra t ions of
sucro se on GS activity in the leaves of rice seedlings
grow n in ligh t (A ) and the dark (B)
　
2. 2　蔗糖对水稻幼苗叶片 GS 同工酶表达的影响
N ative2PA GE 和活性染色表明, 在光照下, 较
低蔗糖浓度 (0105% 和 011% ) 对水稻幼苗叶片 GS2
活性未见很明显影响 (图 2A : 2, 3) ; 但在较高的蔗糖
浓度下 (2% ) , GS2 的活性则有所降低 (图 2A : 4) ; 在
暗处培养时, 蔗糖对 GS2 活性变化的影响与在光照
下相似, 虽然其活性比相应光照下明显的偏低 (图
2B )。无论是在光照下或是在暗处培养, 不同的蔗糖
浓度均未对水稻叶片 GS1 的活性造成明显影响 (图
2)。这些结果表明, 水稻叶片 GS2 活性的变化是引
022 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　第 20 卷　　
起GS总活性 (图1) 发生变化的原因; 同时亦表明, 在
相同蔗糖浓度下, 光是影响GS2表达的主要原因。
编号 1、2、3 和 4 分别代表蔗糖浓度 (% ) 为 0 (对照)、
0105、011 和 2。样品的上样量均为 40 ΛL
L ines 1～ 4: T he sucro se concen tra t ions (% ) w ere 0 (con2
t ro l) , 0105, 011, and 210, respectively. Each samp le of
40ΛL w as app lied to the slo t of the gel
图 2　不同的蔗糖浓度对生长在光照 (A)和
暗处 (B)的水稻幼苗叶片 GS 同工酶的影响
F ig12　T he effect of the differen t concen tra t ions of
sucro se on GS isozym es in the leaves of rice seedlings
grow n in ligh t (A ) and the dark (B )
　
2. 3　蔗糖对水稻幼苗叶片Rubisco蛋白表达的影响
SD S2PA GE 和考马氏亮兰R 2250 染色表明 (图
3) , 与相应对照比较, 水稻幼苗叶片的R ub isco 蛋
白的表达不受蔗糖浓度的影响, 虽然在光照下R u2
b isco 蛋白含量显著高于暗处。这表明, 光是影响
R ub isco 表达的主要原因。
编号 1、2、3 和 4 分别代表蔗糖浓度 (% )为 0105、011、2 和
0 (对照)。样品的上样量均为 5 ΛL
L ines 1～ 4: T he sucro se concen tra t ions (% ) w ere 0105,
011, 210 and 0 (con tro l) , respectively. Each samp le of 5ΛL w as app lied to the slo t of the gel
图 3　蔗糖浓度对生长在暗处 (A)和光照 (B)下
的水稻幼苗叶片 Rubisco 表达的影响
F ig13　T he effect of the differen t concen tra t ions of
sucro se on the exp ression of R ubisco
p ro tein in the leaves of rice seedlings grow n in the
dark (A ) and ligh t (B )
　
2. 4　蔗糖对水稻幼苗叶片可溶性蛋白的影响
图 4 表明, 与相应对照比较, 蔗糖浓度并未明显
影响水稻幼苗叶片可溶性蛋白的含量, 但是光却显
著提高它的水平, 光照下的可溶性蛋白含量约为暗
处培养条件下的 2 倍。与图 3 比较, 可溶性蛋白水平
的变化趋势与R ub isco 的变化是一致的, 这提示, 光
对叶片可溶性蛋白水平的影响主要是由于光影响
R ub isco 的表达所致, 而蔗糖对其影响是比较小的。
图 4　不同蔗糖浓度对生长在光照 (A)和
暗处 (B)的水稻幼苗叶片可溶性蛋白的影响
F ig14　T he effect of the differen t concen tra t ions of
sucro se on the levels of the so lub le p ro teins in the leaves
of rice seedlings grow n in ligh t (A ) and the dark (B )
　
3　讨论
在植物中, 糖是光合作用的产物。糖不仅充当细
胞结构组分, 而且也是碳素代谢源, 为细胞合成其它
物质、特别是为蛋白质的合成提供碳架。研究表明,
糖或者它们的代谢物对植物生长和发育有关的重要
过程起着正的或负的调节的作用[5 ]。糖对涉及与氮
素代谢相关的酶亦有调节作用, 例如对拟南芥和烟
草的硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶表现出诱导作
用[12, 13 ] , 而对拟南芥和玉米的天冬酰胺合成酶显现
出抑制作用[14, 15 ]。
虽然光对高等植物叶片 GS2 表达的诱导作用
已被广泛证明[2 ] , 但是, 最近O liveira 等人观察到小
分子的糖类包括蔗糖对拟南芥 GS2 以及 GS1 的表
达亦有明显的促进[7 ] , 表现出与光相类似的作用。他
们认为, GS2 被光的诱导部分是由于光敏色素的介
导, 部分是由糖所介导; 光对 GS1 的诱导是由于糖
代谢的中间物所介导的。然而在我们的实验中却观
察到不同的现象。当水稻幼苗生长在光照或暗处时,
叶片 GS2 以及 GS 总活性随蔗糖浓度的升高而减
小, GS1 的活性基本保持稳定 (图 1, 2)。在水稻叶片
中, GS1 和 GS2 两者占 GS 总活性的比例取决于不
同的发育阶段。在光照下, 当叶片伸展时, GS1 约占
总活性的 20% , GS2 约占 80% [8, 9 ]。一些实验表明,
122　第 3 期　　　　袁永泽等: 蔗糖对水稻幼苗叶片谷氨酰胺合成酶和 1, 52二磷酸核酮糖羧化酶ö加氧酶的影响
GS1 作为一种组成性酶对外界因素的变化或发育
上的变化通常是不太敏感的[16 18 ] , 即便在暗处, 内
源性碳的代谢可能会基本满足 GS1 和其它蛋白质
的合成对碳架的需要。这也许是GS1 的水平受蔗糖
影响小的原因。当然, 长时期生长在暗处将会导致能
量供应不足, 并加速衰老和死亡。
比较光照和暗处的 GS 总活性 (图 1) 和 GS2 水
平 (图 2)的变化, 虽然蔗糖的加入导致 GS2 的减少,
但光的影响更为显著。以前的实验表明, 当水稻黄化
苗转移到光照下生长时, GS 总活性和 GS2 的活性
迅速升高[8, 9 ]。在本实验中, 水稻叶片的可溶性蛋白
和R ub isco (一种与光合作用密切相关的关键性酶)
水平的变化也与蔗糖的存在与否无关 (图 3, 图 4) ,
它们所表现出来的差别只与光的存在与否有关, 这
也许可以进一步支持光是影响 GS2 表达的主要因
素的观点。外源碳的存在并未表现出对GS2 表达的
诱导, 相反却有一定程度的抑制。这可能是水稻与拟
南芥的种属差异所致, 或者是培养方式不同的原因
所致。在本实验中, 发芽后的水稻种子直接移栽到含
糖的琼脂培育基中, 与O liveira 等人的不同[7 ]。至于
较高浓度的蔗糖为什么会对 GS2 的活性造成抑制,
目前尚不清楚, 有待进一步研究。
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