全 文 ：武汉植物学研究2008，26(2)：203～212
Joarna／D， Wuhan Botanical Research
种子贮藏蛋白质表达调控及应用研究进展
杨学军 ，喻方圆 ，张欢喜
(1．南京林业大学森林资源与环境学院，南京 210037；2．安徽省泾县林业局．安徽泾县 242500)
摘 要：种子在成熟过程中大量积累贮藏蛋白质，且不同植物种子中贮藏蛋白质的种类不同。为了解种子贮藏蛋
白质的表达调控模式，对近年来表达调控机制的理论研究和在植物分类研究、分子育种及表达药用蛋白质方面的
应用研究进行了综述。理论研究表明，种子贮藏蛋白质的特异性表达是受精确调控的，这些调控包括启动子中的
顺式作用元件和反式作用因子。应用研究表明，通过对种子贮藏蛋白质表达的合理调控可提高作物的产量和营养
价值，同时种子贮藏蛋白质具有稳定表达的特性 ，可用于研究植物分类、植物系统进化和表达药用蛋白质。
关键词：表达；分子育种；植物分类；调控；种子贮藏蛋白质
中图分类号：Q9~6．1 文献标识码 ：A 文章编号：1000-470X(2008)02．0203．10
Progress in Research and Application on Expression and Regulation
of Seed Storage Protein
YANG Xue—Jun ，YU Fang—Yuanh
， ZHANG Huan—Xi
(1．Colege ofForest Resources and Environment，Na ng Forestry University，Nanjing 210037，China；
2．ForestryBureauofJingxian，Jingxian，Anhui 242500，China)
Abstract：Maturing seed accumulates a large number of storage proteins and diferent plant species store
different seed storage proteins．To understand the process of expression pattern of seed storage protein，the
theoretical studies on the expression an d regulation of seed storage protein and its application in the plant
taxonomy，molecular breeding and expression of pharmaceutical protein in recent years were reviewed．The
theoretical studies showed that the expression patern of seed storage protein was accurately regu lated，
involving c／s—elements and trarts—acting factors．Th e applied studies showed that the yield and nutritional
quality of crop could be greatly improved through the proper regu lation of the expression of seed storage
protein．Due to its stable expression patern ，seed storage protein could be used in the studies on plant
taxonomy and plan t systemic evolution，as wel as expression of pharmaceutical proteins．
Key words：Expression；Molecular breeding；Plant taxonomy；Regulation；Seed storage protein
种子是植物发育形成的一种特异器官，可为下
一 代植物生长提供营养物质，并能保护遗传物质的
稳定和促进种群的合理分布。种子作为一种贮藏器
官，成熟时大量合成蛋白质、淀粉和脂类等贮藏化合
物。种子贮藏蛋白质(seed storage protein)一般是在
种子发育后期大量合成和积累，根据溶解特性可分
为清蛋 白 (albumin)、球蛋 白(globulin)、谷蛋 白
(glutenin)和醇溶蛋白(prolamin)。球蛋白是种子中
含量最丰富的贮藏蛋白质，而豆球蛋白(沉降系数
l1s)和豌豆球蛋白(沉降系数 7S)是双子叶植物种
子中最主要的球蛋白，约占成熟种子总蛋白质含量
的70％。谷蛋白是高分子量的聚合物，分子间含有
二硫键 ，其 亚基 可根 据 分子 量 分为 高 分 子量
(HMW)和低分子量(LMW)两种。醇溶蛋白只以分
子内的二硫键结合但并不聚集，醇溶蛋白可在低 pH
时用聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分离，可以分为4种，
即：仅一、3-, 一和 t1)．醇溶蛋白，其中 仅一和 一醇溶蛋白
中含硫氨基酸的含量很高。清蛋白一般可溶于水，
其中以2S清蛋白的研究最为广泛，2S清蛋白在植
物中常具抗真菌等特殊作用。在中性 pH条件下，
绝大部分种子贮藏蛋白质不溶于水或稀释的缓冲
液。除少数种子贮藏蛋白质如植物凝聚素、壳多糖
酶和arcelin(菜豆中一种具有抗虫机制的蛋白质)
具有生理活性外，多数种子贮藏蛋白质不具有生理
活性。
种子在发育中以蛋白质的形式贮藏氮源，并在
收稿日期：2007-05-27，修回日期：2008-03—04。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(30271076)。
作者简介：杨学军(1977一)，男，在读农学硕士研究生，研究方向为林木种苗学(E-mail：xjyang．jx@126．corn)。
通讯作者(E-mail：fyyu@njfu．edu．ca)。
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武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
种子萌发过程中逐渐降解，作为发芽后幼苗迅速生
长发育所需碳、氮和硫等营养元素的来源。同时，豆
类、谷物和牧草种子中含有丰富的贮藏蛋白质，是人
类和动物的主要氮素营养来源。此外，一些种子贮
藏蛋白质(如 2s清蛋白)还具有药理方面作用。因
此，研究种子贮藏蛋白质对深入了解种子发育的生
物学规律、改善人类的营养结构和开发新的医药用
途都很有意义。对种子贮藏蛋白质的研究一直倍受
各国研究者的关注，笔者就种子贮藏蛋白质表达调
控机制及其应用的研究进展情况作一介绍。
1 种子贮藏蛋白质的表达和调控
1．1 种子贮藏蛋白质的编码基因和位点
编码种子贮藏蛋白质的基因是一个多基因家
族。Stevens等⋯ 用 限制性 核酸 内切 酶 BamHI
(26880个克隆)和 Eco RI(48000个克隆)构建两
个黎谷(Chenopodium quinoa Wild．)BAC文库，分离
了编码 11S球蛋白的同源基因并用 BAC文库进行
基因鉴定，Southem杂交表明，BAC文库中有4个克
隆(为单一的4 kb EcoRI片断和单一的 12 kb
II片断)存在 11S球蛋白基因序列 ，且所获得的11S
球蛋白基因可能是 BAC文库中的克隆基因位点中
含有的单拷贝，属于多基因家族的一部分。
研究者多以麦属植物为对象研究谷蛋白编码基
因的位点。研究已确定，编码谷蛋白的基因位于第
1组染色体上，其中HMW亚基的编码基因位于第 1
组染色体的长臂上，而 LMW 亚基的编码基因位于
第 1组染色体的短臂上。Payne等 首先报道，麦
谷蛋白HMW亚基由第 1组染色体长臂上的 1AL、
1BL和 1DL上同源位点 G／u-A1、Glu-B1和 Glu-D1
编码。同样，西班牙单粒小麦(Triticum monococcum
L．ssp．monococcum)中的谷蛋白HMW 亚基由第 1组
染色体长臂上部分同源的位点控制 J，但编码 LMW
亚基的位点是染色体 1AS上 的 G／u-A3、1BS上的
G／u-B3、1DS上的G／u-D3 。小麦(Triticlzm aestivlzm
L．)中B和c两个 LMW麦谷蛋白亚基由紧连 G／u-j
多基因位点的 G／u．3多编码基因位点相同，LMW 麦
谷蛋白D亚基的编码基因与染色体 1D上的 Gli-D1
位点紧密相连 J。Sreeramulu和 Singh 却发现，小
麦中存在另外两种 LMW 麦谷蛋白亚基(相对分子
量为 30 kD和32 kD)，它们的编码基因分别在染色
体 1D(G／u．194)和7D(G／u．D5)七，其中染色体7D与
0【．醇溶蛋白有关。Nieto．Taladriz等 和Joppa等
分别报 道，硬质小麦 (Triticum turgidum)谷蛋 白
LMW一1亚基包括5条带(5+8+9+13+16)，第 5
条带由染色体 1A短臂上的等位基因 Glu-A3b编码，
而8+9+13+16由染色体 1B短臂上的等位基因
G／u-B3b编码。Alvarez等 研究单粒小麦中麦谷蛋
白的结果还表明，LMW亚基由 G／i． 位点紧密相连
的 Glu-3位点控制，与小麦的研究结果相同。
研究已证实 ，醇溶蛋白的编码基因位于第 1组
和第 6组染色体的短臂上。Payne等 。¨。报道，小麦
醇溶蛋白主要编码基因位于第 1组和第 6组染色体
的短臂上，且 G／i． 位点与谷蛋白LMW 亚基的编码
基因(Glu-3)位点紧密相连。Dubcovsky等⋯’ 进
一 步研究指出，小麦染色体 1A、1B和 1D短臂上末
端的 Glu- 多基因位点编码 一、∞一和一些 B一醇溶蛋
白，而另一部分 ∞一醇溶蛋白的编码基因位于 Glu-3
位点上，全部 Ot一醇溶蛋白和大部分 B一醇溶蛋白是由
位于染色体 6A、6B和 6D短臂上的多基因位点编
码。Payne_3 研究指出，单粒小麦中控制醇溶蛋白的
G／i- 位点分别位于第 1组和第 6组染色体短臂上。
xu等 3¨_也报道，硬质小麦醇溶蛋白由染色体 1B上
的 —日 位点编码，此位点与染色体 1B短臂上谷
蛋白LMW亚基编码基因 G／u—B3紧密相连。
研究者还对球蛋白、清蛋白等种子贮藏蛋白质
的编码基因进行了研究。B-伴大豆球蛋白是一种异
质性的三聚体大豆球蛋白，其亚基由序列上相邻的
2．5 kb或 1．7 kb mRNAs编码，但它们起源于 B-伴
大豆球蛋白多基因家族的不同成员。研究已经发现
了两种 B-伴大豆球蛋 白的基因，即 CG4(1．7 kb
mRNAs亚族)和CG1(2．5 kb mRNA亚族)¨ ，且这
两种基因在表达上有差异，在转基因烟草中，CG4只
在胚中表达，但 CG1在胚腔和胚乳中都可表达 ¨。
Anisimova等 ¨ 对 一 年 生 向 日葵 (Helianthus
n胁u )杂交分析表明，种子贮藏蛋白质 helianthinin
的合成至少受到 、HelB和 HelC 3个位点的控
制。Hou等_1 研究鼠耳芥属(Arabidopsis)的结果却
表明，种子贮藏蛋白质由小基因家族编码，编码 5个
2S清蛋 白的基 因有 5个 (称为 at2S1～at2S5)，
at2S1～at2S4在第 4组染色体的下半区紧密相连，
而 at2S5则位于第 5组染色体的下半区；同时发现
12S球蛋白由3个基因编码(CRA1、CRB和 CRC)，
分别位于第5、第 1和第4组染色体上。
值得注意的是，编码种子贮藏蛋白质的各基因
位 点 不 是 独 立 的，而是 可 能 存 在 相 互 作 用。
Dubcovsky等_1 用 DNA克隆限制片断杂交和 SDS-
PAGE研究二倍体、四倍体和六倍体小麦中 HMW
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第 2期 杨学军等：种子贮藏蛋白质表达调控及应用研究进展
及 LMW 麦谷蛋白位点、醇溶蛋白位点和小麦糖位
点之间的关系，结果表明，在四倍体和六倍体小麦
中，含有 LMW麦谷蛋白克隆的 DNA片断，位于染
色体臂 1AS、1BS和 1DS图谱末端区域的XGlu．3位
点，第2个位点(XGlu—B2)位于染色体臂 1BS上，且
与醇溶蛋白位点 XGli—B3完全相连，在四倍体小麦
的SDS—PAGE图谱上这个位点的限制性片断表现出
与 LMW 麦谷蛋白的 B亚基共分离的特点，表明
XGlu—B2是一个 LMW 麦谷蛋白的活性位点。该项
研究还观察到，在二倍体小麦的7A 染色体长臂上
有一个与低分子量克隆片断杂交的新位点，没有麦
谷蛋白可与其共分离；小麦糖位点位于染色体臂
1AS、1BS和 1DS上，且没有发现与 DNA片断共分
离的小麦糖蛋白，表明XTri—B1位点是没有活性的；
没有发现 Gli—A4的存在，可能与 Gli-A3同义。
同时，基因的位点上存在许多的等位基因，它们
对种子贮藏蛋白质合成数量和质量都有作用，如在
小麦中，谷蛋 白 HMW 亚基 就决定 面粉 的质量。
Payne等 ¨指出，“5+10”亚基是由G／u—Did编码，
可以提高面粉的质量。xu等 ¨用荧光基因组原位
杂交(FGISH)和微卫星标记研究 2个硬质小麦
[Triticum turgidum L．ssp．durum(Desf．)Husn．]家
系[由普通小麦和硬质小麦 2个品种(LDN和 Ren—
vile)进行杂交得到]的结果表明，它们都含有 由
G／u—Did(L252和$99B34)编码的谷蛋白HMW亚基
1Dx5+1Dyl0，但是产量低的家系中含有 LMW一1亚
基(由Glu．A3k和 Glu．B3s基因编码)和 1B(由硬质
小麦 LDN的醇溶蛋白基因编码)，而产量高的 3个
家系含有 LMW-2亚基和 1B(由硬质小麦 Revile的
醇溶蛋白基因编码)，表明硬质小麦品种 LDN中含
有影响产量的基因，并且由于硬质小麦在 D一染色体
组上缺少谷蛋白和醇溶蛋白的编码基因，所合成的
蛋白质质量不好。
总之，研究种子贮藏蛋白质的编码基因是了解
种子贮藏蛋白质的首要和重要的一步。编码种子贮
藏蛋白质的基因属于多基因家族，其序列和位点千
差万别。不同种类的种子贮藏蛋白质有不同的编码
基因，不仅贮藏蛋白编码各基因之间存在相互作用，
而且蛋白编码基因与其它物质的编码基因之间也存
在着相互作用，这从根本上决定着种子贮藏蛋白质
表达模式的多样性。
1．2 种子贮藏蛋白质的表达与调控
种子贮藏蛋白质的基因只在种子发育的特定阶
段表达，并指导种子贮藏蛋 白质的合成和积累。
Boulter等 ¨报道，豌豆(Pisum sativum)中贮藏蛋白
质的基因仅在种子发育过程中被激活转录，可为研
究植物组织特异表达和发育调控提供很好的实验系
统。Thompson等 也发现，豌豆中 legA基因编码
一 种豆球蛋白亚基的前体蛋白，在豌豆种子子叶细
胞增大期 ，该基因的转录水平升高，legA mRNA丰度
增加。
研究已确定，7S和 11S球蛋白启动子存在保守
序列，并分别命名为豌豆球蛋 白盒(vicilin box)和
豆球 蛋 白盒 (1egumin box)。豆球 蛋 白盒 序 列
CATGCATG存在于许多豆类种子贮藏蛋白基因的启
动子中，被命名为 RY重复序列[21 J。对转基因植株
的研究表明，RY重复序列对7S球蛋白和 B．伴大豆
球蛋白在种子中特异表达是必须的。Yamauchi_2
报道，一些核蛋白可同时与刀豆球蛋 白基因5’一上
游区域中CACA及富含 A／T的序列产生相互作用。
Bobb等 发 现，PvAIf(Phaseolus vulgaris abscisic
acid—insensitive 3-like factor)与拟南芥 (Arabidopsis
thaliana)中的蛋 白编码基 因 AB13(abscisic acid—
insensitive 3)相似，它可激活扁豆种子中一些贮藏
蛋白质、菜豆蛋白和植物凝聚素基因的转录；PvAIf
还可调节启动子中的 RY重复序列，但启动子与亮
氨酸拉链型转录因子 ROM1和 ROM2相互作用则
可抑制 PvAf对转录的激活作用。
种子贮藏蛋白质基因表达的初始步骤是转录的
起始，许多研究表明，贮藏蛋白质编码基因的起始序
列与相邻序列存在相互作用，且一些蛋白质可起始
和增强转录。Shirsat等 研究缺失突变(deletion
mutant)的结果表明，指导转基因烟草植株中豆球蛋
白正确表达的起始序列位于帽子结构的 一549～
一 97之间，其表达水平明显受到相邻序列的调控。
Roeder_2纠认为，蛋 白质可 与重 复序列 (一404～
一 367)和 USR1．I(一482～一405)内的成分相结
合，之后再与 RSR2中另一个结合位点发生相互作
用。进而装配成转录起始复合物。Meakin和 Gate—
house_2叫用酶裂解豌豆中legA基因的873 bp起始片
断(一833～+40)，然后分析产物与豌豆种子核蛋
白提取物的结合能力，结果也表明，一316～+4O之
间的起始序列与豌豆种子核提取物不形成稳定复合
物，而 一549 ～一316和 ⋯833 582之间的2个
序列则可以与种子核提取物产生强烈作用并形成结
合物(LABF1)，但与叶核提取物却没有这种作用；用
SDS．PAGE分离种子核蛋白，再进行洗提和复性后
发现，LABF1是分子量分别为 84～116 kD和 48～
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武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
58 kD的多肽，它尽管仅临时作用于豆球蛋白基因
表达，但这种作用既可以作为增强子又可以作为起
始因子。Howley和 Gatehouse 用 迁 移率 试 验
(electromobility shift assay)和 竞 争 性 试 验
(competition assay)研究豌豆细胞扩展时期出现的
DNA结合蛋白质的目标序列时发现，这种蛋白质结
合于legA启动子的转录起始位点 ⋯404 367的
不完全序列上，被称为 USR1(⋯549 316)，另有
一 种相同或相似的蛋白质结合于 USR2(一833～
一 582)上，同时还有一种没有重复序列的蛋白质与
目标位点结合于 USR1相近的上游区域；该项研究
同时指出，这些 DNA结合蛋白质之间的相互作用是
装配转录起始复合物的事件，由于这些结合作用只
存在于豌豆子叶细胞增大期的种子蛋白提取物中，
且与豆球蛋白A增长相平行，因此这些蛋白质可能
是起始转录或增强转录的因子。
种子特异性基因的表达是受精确调控的，这些
调控包括启动子中的顺式作用元件和反式作用因
子。研究已确定 ，在大麦、小麦和水稻的胚乳特异启
动子有3种保守性顺式基序，分别命名为 GLM、醇
溶谷蛋白盒(PB)和 5’一AACA／TA-3’。其中，在大
麦和水稻 中，5’一AACA／TA-3’基序是 GAMYB和
OsMYB5的结合位点 J。
GLM(GCN4类基序，5’一ATGAG／CTCAG-3’)与
bZIP(属于 Opaque2亚族)蛋白相结合，因而它与 O2
蛋白的作用有关系。02、OHP1、OsBZIPPA、SPA、
CPRF2和 RITA1这 5种蛋白都属于碱性亮氨酸拉
链家族。02基因最初是从玉米(Zea mays)中分离
的，是 仅一和 B一醇溶谷蛋白基因的转录起始因子，它
可导致胚乳中玉米蛋白(主要是 22 kD的仅一玉米蛋
白)总量明显下降。Schmidt等 指出，玉米中隐性
突变基因02编码亮氨酸拉链DNA结合蛋白，可调
节玉米蛋白的合成，但由于这种蛋白的赖氨酸含量
很低，基因突变后玉米蛋白的合成减少却引起种子
蛋白中赖氨酸的含量上升。Pater等 。。对 02基因
进行克隆后发现，它编码一种 DNA结合蛋白，属于
碱性亮氨酸拉链区域内的起始因子。Schmidt等
报道，02蛋白质通过识别启动子中特殊序列而控制
玉米中 22 kD 仅一玉米蛋 白和 b-32基 因的表达。
Cord—Neto等 进一步研究后指出，O2蛋白除控制
22 kD仅一玉米蛋 白基因的表达外，还控制玉米和一
些薏苡属(Coix)种子中 B一醇溶谷蛋白基因的表达；
此外，O2蛋白还调控玉米种子成熟过程中蛋白质的
合成、氮和糖的代谢 。Pirovano等 报道，O2蛋
白的同源基因还存在于高梁属(Sorghum)植物中；
Vetore等 进一步研究后发现，薏苡属、高梁属和
玉米种子中的贮藏蛋白质都是由同源基因编码的，
它们在胚乳中可暂时性表达，并且发现薏苡属 02
基因中有 5个内含子，编码一种含有 408个氨基酸
的多肽，与玉米中的 02基因相同。
醇溶谷蛋白盒(PB，5’一TGTAAAG-3’)由 DOF
(DNA binding with one finger)转录因子识别。缺失
和点突变试验表明，PB在调节胚乳特异性基因表达
中很重要 ”J。小麦中的 PBF(WPBF)首先是从
小麦胚乳中发现的，Vicente．Carbajosa等 副在进行
序列分析后认为，小麦 仅一醇溶蛋白基因的启动子区
域中存在一个 PB一盒基序，可与Hor2(大麦醇溶谷蛋
白基因)启动子的 PB一盒结合，可能在醇溶谷蛋白的
表达中充当启动子 。Dong等 报道，小麦的所
有组织中都有 WPBF基因表达，并发现小麦根部的
cDNA中存在一种 TaQM蛋白，可与 WPBF中 DOF
区发生作用，且 TaQM蛋白基因与 WPBF基因的表
达相似；该项研究还在共侵染的 BY-2原型细胞进
行瞬时表达实验，结果表明，WPBF与 PB一盒结合
后，可以激活 仅一醇溶蛋白启动子的转录，特别是在
WPBF和 TaQM基因共侵染时，仅一醇溶蛋 白启动子
的转录活性 比 WPBF单独作用时高得多。另外，
WPBF基因还存在于转基因鼠耳芥属植物的种子和
维管系统中，所以它不仅在小麦种子发育中起作用，
而且在其它植物生长发育过程中也起作用。Diaz
等 研究大麦(Hordeum vtdgtl,re L．)种子发育的结
果表明，大麦中 PBF(BPBF)的 c一末端可与 HvGA—
MYB相互作用，从而激活胚乳特异性基因的表达，
并认为 BPBF与 WPBF具有同源性。Diaz等 进
一 步用双分子荧光络合 (BiFC)方法证实，大麦中的
DOF蛋白(SAD)也可与核中HvGAMYB相互作用。
Yanagisawa 也报道，在玉米种子发育过程中，玉米
蛋白的表达包括 PBF和 02蛋白之间的相互作用，
且它们在谷类种子许多贮藏蛋白质基因的启动子中
都是保守的。研究已证实，DOF蛋白不仅可与顺式
作用元件相结合，而且它的DOF区或c一末端可调节
蛋白质之间的相互作用，因此在种子发育过程中包
括 bZIP和 DOF家族在内的反式作用因子共同调节
贮藏蛋白质的表达 。
可见，种子贮藏蛋白质的基因仅在种子发育中
的特定时期才被激活转录，并且基因的时空表达模
式受多种因素的综合调控，包括识别特异性序列的
DNA结合蛋白和相应的顺式作用元件与蛋白质之
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第2期 杨学军等：种子贮藏蛋白质表达调控及应用研究进展 207
间的相互作用 ；因此，种子贮藏蛋白质的表达同
样也受各种顺式作用元件和反式作用因子的调控，
包括各种特异性表达的启动子、增强子、DNA结合
蛋白质以及它们之间的相互作用。种子贮藏蛋白质
的表达调控机制纷繁复杂，是 目前种子分子生物学
研究的一个重点领域。
2 种子贮藏蛋白质表达调控机制的应用
2．1 种子贮藏蛋白质可用于物种鉴定与植物分类
Singh等 认为，同种植物的不同表现型中蛋
白质组成的变化非常有限或是没有变化，这意味着，
在特定情况下，蛋白质组成的变化可以对同种植物
的不同表现型进行分类。因而，蛋 白质 的 SDS—
PAGE分析可对表型特殊的类型进行鉴定和分类，
特别是鉴定不同表现型之间的杂交种，对蛋白质的
化学分析(SDS—PAGE等)和同功酶分析有可能提供
比RAPD分析更准确的分类。
大豆(Glycine m,ax L．Mer．)种子中的贮藏蛋白
质很容易用 SDS—PAGE进行分离和分析，可作为基
因型的标记，在植物分类和物种鉴定上应用很广泛。
Mennela等 对意大利坎帕尼亚地区9种生态型
的普通大豆用盐溶液进行提取，然后用离子交换高
效液相色谱(AE和 CE—HPLC)、SDS—PAGE、等电聚
焦(IEF)进行分析，结果表明，分析种子贮藏蛋白质
可从质 和量上 对不 同生态型进行划分。Thome
等 报道，菜豆(Phaseolus vulgaris L．)不同野生基
因型中的菜豆蛋白也有很高的多态性，认为分析菜
豆蛋 白可以对不同地理起源进行分类。Mennela
等 用高效液相色谱分别分析 园艺植物茄属
(Solanum)及蕃茄 (Lycopersicon esculentum L．CV．
Chery)等种子胚乳中的种子贮藏蛋白，并对不同种
和栽培变种进行了分类。Vladova等 对 34个辣
椒(Capsicum annum)栽培种的种子贮藏蛋白质进行
电泳分析发现，2种表型基因的差异是由 1 1S球蛋
白的中间亚基或它们的低聚物引起的，并根据蛋白
质电泳图谱的明显不同将这些栽培种分为 2类。
Syros等。邶 根据克里特黑檀树(Ebenus cretica)总蛋
白质的电泳图谱，将其划分为4种生态型。Bianchi—
Hal等 和 Singh等 也分别指出，研究落花生属
(Arachis)植物中的种子贮藏蛋白质可对落花生属的
野生种质、落花生(Arachis hypogaea L．)栽培种的特
点和同种植物内可能存在的不同表现型进行鉴定。
Be~ozo和 Vals【5¨用 SDS—PAGE研究平托落花生
(Arachis pintoi)和A．repens种子贮藏蛋白质时发现，
它们的种子贮藏蛋白质存在很大差异，且不同表现
型之间种子贮藏蛋白质的差异比表现型内的差异要
大。Alvarez等 对圆柱小麦(Triticum dicoccon)贮
藏蛋白质分析也表明，谷蛋白 HMW 亚基差异很大，
新的等位基因在植物材料中出现的频率很低，表明
有多种基因型。Alvarez等 用 SDS—PAGE和 A—
PAGE研究西班牙单粒小麦种子蛋白质组成的结果
表明，谷蛋白的 Glu-A1 有 3个不同的等位基因，而
Glu-A3 有 6个不同的等位基因；醇溶蛋 白的 Gli—
A 有7个等位基因，Gli-A2 则有 14个等位基因，
并根据起源和种子贮藏蛋白组成的不同划分为 48
种不同基因型。
此外，通过分析子代所表达的种子贮藏蛋白质
还可预测杂种优势，如分析同功酶和同种异型酶可
预测粮食作物的杂种优势。Han等 使用基因组
原位杂交(GISH)和多色 GISH(mcGISH)技术进行
细胞发生，对小麦 ×中间偃麦草(Thinopyrum 眦er-
medium)进行杂交获得了5个部分二倍体，并分析
麦谷蛋白HMW 亚基和醇溶蛋白，结果表明，其中2
个二倍体有与小麦相同的带型，有 1个二倍体有中
间偃麦草的特异性带型并有良好的 HMW 亚基，适
合小麦育种。Yu等 还报道，基于形态学特征、同
功酶和种子贮藏蛋白质估算的遗传距离(GDs)和随
机扩增多态性 DNAs(RAPD)可用于预测油菜(Bras—
sica napus L．)各杂交组合的性状和杂种优势。
2．2 种子贮藏蛋白质可用于研究系统演化
研究种子贮藏蛋白质氨基酸序列和编码基因的
相互关系，还有可能阐明不同物种的系统演化过程
和系统发生关系。Shutov等 对豆球蛋 白和豌豆
球蛋白基因的内含子位置进行对比后发现，编码现
有的豆球蛋白和豌豆球蛋白亚基的基因可能是由原
始的单一区域进化而来的，为用种子贮藏蛋白质分
析来研究系统演化提供了理论依据。为了研究种子
贮藏蛋白质的演化过程，Shutov等 刮还对裸子植物
的一些属，如买麻藤属(Gnetum)、麻黄属(Ephedra)
和百岁兰属(Welwitschia)(它们形态不同却在大多
数分类系统中归为买麻藤 目)代表种的成熟种子蛋
白质进行部分测序，通过克隆得到基于 N一末端氨基
酸序列的 cDNA，并分析千岁兰(Welwitschia mirabi—
lis)编码豆球蛋白核基因的结构，结果表明，买麻藤
目植物第 1个核基因结构在4个保守位置上仅有 2
个具有内含子，对外显子和内含子的序列进行分析
表明，买麻藤 目植物的豆球蛋白基因与现存的银杏、
松柏目及所有被子植物均不同，可能属于单起源的
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武 汉 植 物 学 研 究 第 26卷
进化分枝。Bianchi—Hal-5 等也指出，研究落花生属
植物中的种子贮藏蛋 白质也可阐明其系统发生
关系。
2．3 种子贮藏蛋白质可用于分子育种
随着 分 子生 物 学 技 术 的发 展，分 子 育 种
(molecular breeding)在育种工作中已日趋重要。利
用种子贮藏蛋白质开展分子育种有两种方法：一种
是蛋白质工程方法，即调节种子蛋白质的编码基因；
另一种是转基因方法，即从外源物种转入编码基因。
Teraishi等 发现一种引起所有 B一伴大豆球蛋白亚
基基因不能表达的优势突变，证明了在自然种群中
种子定性和定量突变可以遗传。种子贮藏蛋白质基
因在种子发育中高度表达，许多研究表明，这种基因
在转基因植株也能正确表达。调节种子特异表达序
列位于贮藏蛋白质基因的启动区，对种子特异表达
启动子的正向调控区域(RY重复序列)进行复制建
立合适的启动子，可提高种子蛋白质的营养价值。
利用种子贮藏蛋白质开展分子育种已成功应用
于粮食作物中，并取得了良好的效果。例如在大豆
中，很早就发现种子贮藏蛋白质具有良好性状，并可
用来培育新品种提高种子蛋白质的产量，但豆类种
子中含硫氨基酸的比例很低，因而营养价值比动物
蛋白质低。为提高菜豆蛋 白的营养品质，Hofman
等 将包含有 6个 甲硫氨酸密码子的寡核苷酸
(45 bp)插入到菜豆蛋白基因的第 3个外显子中以
获得目标蛋白质，结果却发现，转基因烟草种子中仅
产生少量的目标蛋白质；Pueyo等 进一步用免疫
电子显微技术进行观察发现，种子发育早期在内质
网、高尔基体、运输小泡及液泡中都能观察到目标蛋
白质的积累，但是在种子成熟后期在贮藏液泡中却
没有检测到目标蛋白质，因此他们认为加入甲硫氨
酸残基的种子蛋白质因发生错误折叠，在液泡中不
稳定。Kim等 报道，11S球蛋白的氨基酸序列中
有非保守区域(称为可变区)，可以进行调节；因此，
Utsumi等 将含有 4个甲硫氨酸密码子的合成
DNA插人大豆球蛋白 cDNA的可变区，结果发现，
目标蛋白质在烟草植株中可以表达，并可在烟草种
子的液泡中正常装配和积累。Kjemtrup等 对植
物凝聚素的基因进行定点突变，在转基因烟草种子
的液泡中也获得了目标植物凝聚素。
用转基因方法提高种子蛋白的质量 ，首先必须
融合种子特异性的启动子和含硫氨基酸的蛋白质基
因组成嵌合基因，然后将嵌合基因转入栽培作物中，
进而提高种子贮藏蛋白质的营养价值。为了提高烟
草种子蛋白质中甲硫氨酸含量，Al~nbach等 融
合菜豆蛋白的启动子与 2s清蛋白的cDNA，并将嵌
合基因转人烟草植株中，结果使转基因烟草种子中
2s清蛋 白的甲硫氨酸含量提高了 30％。Nordlee
等 报道，巴西坚果(Bertholetia excelsa)中的2S清
蛋 白在转基 因大豆种子 中也 可以合成。Karchi
等 报道，将融合种子特异性的启动子和对赖氨酸
及苏氨酸的反馈抑制不敏感的大肠杆菌(Escherichia
coli)天冬氨酸激酶基因组成嵌合基因，并将其转人
烟草中，结果发现，种子中自由苏氨酸和甲硫氨酸的
含量上升，但种子蛋白质中这两种氨基酸含量却没
有明显上升。Sharma等 对 8．玉米蛋 白(8-zein，
一 种玉米中的富硫种子贮藏蛋白质)的编码基因进
行修饰后转入白三叶草(Trifolium repens)中，并用花
椰菜病毒 (cauliflower mosaic virus，CaMV)的二倍
35S起始子和胭脂仙人掌属植物的基因转录终止子
控制该种基因的表达，结果表明，转基因植株可以表
达特异的 mRNA，并在叶片、叶柄、节、节间、根和种
子中积累8一玉米蛋白，且修饰后基因所表达的8一玉
米蛋白N一末端的序列与玉米种子中的相同，因此他
们认为，可用这种贮藏蛋白质改善白三叶草的草料
质量，并可防治某些疾病。
2．4 种子贮藏蛋白质可用于医药工程
由于种子具有较长的贮藏时间，用种子作为生
物反应器生产具有药用价值的蛋白质和多肽很有潜
力。用种子贮藏蛋白质表达药用蛋白质，首先必须
找到一种合适的启动子。花椰菜病毒 35S起始子是
植株中表达外来蛋白质最常用的启动子，但其活性
在植物不 同组织 中有差异，在叶片中活性最高。
Fiedler等 和 Hofman等 分别用双子叶植物的
豆球蛋白和 B一菜豆蛋白基因的起始子在烟草种子
中表达了工程抗体和玉米醇溶蛋白；Firek等 加 还
在转基 因烟草种子中成功表达 了免疫球蛋 白。
Hood等 和 Witcher等 分别用玉米中泛基因
(ubiquitin gene)的启动子在玉米胚中也成功表达了
高含量 的抗 生素 蛋 白和 p一葡 萄糖 苷 酸酶 (B—
glucoronidase)。另一种表达重组蛋白质和多肽的策
略是以 自然种子蛋 白质为载体，Vandekerckohove
等 和 Parmenter等 M 分别融合种子贮藏蛋 白
napin及亲脂蛋白oleosin，获得了 Leu一脑腓肽和水蛭
素。Leite等 用 一高梁醇溶蛋 白基因，在转基因
烟草种子中获得了人类生长激素，并观察到，在种子
成熟过程中这种激素由信号肽作用定向运输到内质
网，其含量 占可溶性蛋白质总量的0．16％，且该种
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第 2期 杨学军等：种子贮藏蛋白质表达调控及应用研究进展
激素与人体激素有相同的氨基酸序列和与受体结合
的性质。
大豆球蛋白 基因编码一种含量很高的种子
贮藏蛋白质，其启动子可启动药用蛋白质在种子中
的特异表达，因而具有良好的应用前景。Ding等[ ]
用大豆球蛋白 基因的启动子启动人类纤维原生
长因子(bFGF)在转基因大豆中的特异表达 ，即在
18 kD bFGF编码区嵌人 基因的启动子或启动子
的信号肽序列，再将其转人大豆中，然后对转基因植
株的分析表明，在种子中bFGF可起始转录，表达的
蛋白质占可溶性蛋 白质总量的 2．3％；大豆合成的
bFGF可促进 Balb／c 3T3细胞的有丝分裂，并和人
体合成的 bFGF具有相同的性质。该项研究还发
现， 基因启动子可促进一种 B一葡糖苷酸酶在种
子中的特异表达，因此他们认为 基因启动子含
有种子特异性表达所需的顺式作用元件，可用于药
用蛋白质在大豆种子中的表达。
综合这方面的研究可以看出，种子贮藏蛋白质
表达调控的应用研究也是一个十分活跃的领域，且
很有意义。首先，研究种子贮藏蛋白质可解决物种
鉴定、植物分类和系统演化的问题 ，并能准确评估遗
传变化；蛋白质分析与其它生物化学及分子标记技
术相结合，可为种间和种内的分类提供一种新的工
具 ，可更好地估计出遗传多样性；电泳图谱分析已成
为育种上用于栽培种鉴定的有利工具。其次，研究
种子贮藏蛋白质可从蛋白质变化的角度揭示生物进
化的规律。再次，研究种子贮藏蛋白质可明晰蛋白
质表达的调控机制，通过调控表达过程，提高作物的
产量和营养价值。最后，研究种子贮藏蛋白质可获
取人类需要的药用蛋白质和其它生物活性物质，促
进医药卫生事业的发展。
3 结语
综上所述，研究种子贮藏蛋白质可深入了解种
子发育的生物学规律，进而可对表达进行有效调控，
对改善人类生活很有意义。目前，种子贮藏蛋白质
研究颇受各国研究者瞩 目，并取得了重大的进展。
对种子贮藏蛋白质表达调控机制的研究表明，其特
异性表达是受精确调控的，这些调控包括启动子中
的顺式作用元件和反式作用因子。此外 ，通过对种
子贮藏蛋白质表达的合理调控可提高作物的产量和
营养价值，由于种子贮藏蛋白质具有稳定表达的特
性 ，可用于研究植物分类、植物系统进化和表达药用
蛋白质。
尽管近年来种子贮藏蛋白质的研究取得了一定
进展，但由于种子贮藏蛋白质的研究内容复杂，还有
很多问题有待深入研究。具体来说，以下几个方面
的研究可能很重要：(1)探索研究种子贮藏蛋白质
的新方法；(2)扩大种子贮藏蛋白质的物种研究范
围；(3)进一步对种子贮藏蛋白质表达和调控机制
进行深入的研究，特别是蛋白质翻译后修饰的机制
和非生物因子对蛋白质表达的作用机制；(4)研究
蛋白质之间相互作用及其生物学功能；(5)寻找适
合分子育种的启动子和能在转基因植株中稳定表达
的新基因；(6)基因安全问题应加以高度重视，对转
基因植株所合成蛋白质的安全性进行深入研究。
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