1、转海藻糖合成酶基因的研究进展牟禹（四川农业大学 雅安）摘要：综述海藻糖的理化性质，生物活性，以及转海藻糖合成酶基因的意义和在植物转基因方面的研究现状。关键词：海藻糖、海藻糖合成酶、转基因海藻糖在自然界中广泛存在，因起独特的理化性质和生物活性而被关注。广泛应用于生物、医药、食品等行业，需求量逐年增加。但因昂贵的生产成本，其使用受到很大的限制。近年来，很多研究者从基因工程的角度来研究海藻糖，如用工程微生物来生产海藻糖，使海藻糖成本下降；不少科研者也把海藻糖合成酶基因转入高等植物，期望得到具有特殊抗性的植株，并已取得不小的进展。1 理化性质海藻糖（C 12H12O112H2O）的分子构型为a,a-型
2、，是一种通过a,a-1,1糖苷键连接的非还原性双糖，化学名称为-D-吡喃葡萄糖基-D-吡喃葡萄糖苷。失水后，海藻糖变成含有两分子结晶水的白色晶体，其熔点为97 OC。继续加热到130 0C，失去结晶水，熔点达到214216 0C。海藻糖甜味较弱，相当于蔗糖甜度的45% ，无毒性，溶于水、冰醋酸和热乙醇，适用于食品工业。海藻糖性质十分稳定，是天然双糖中最稳定的，无还原性，在食品中加热不会焦糖化。可被海藻糖酶水解成为葡萄糖或葡萄糖聚合物，但不被一般的酶水解。其分子式如下：3 转基因方面的研究进展目前，国内外不少研究关于海藻糖，特别是转基因方面。其目的主要有两点：一、生物合成海藻糖，得到大量海藻糖制
3、品。二、得到抗逆植物，提高植物抗逆性。3.1 生物合成海藻糖海藻糖具有很高的经济价值，有必要研究一种高效、廉价的生产方式。由于它的应用很广泛，其生产从很早就开始了。目前，海藻糖的生产方式主要有五种：微生物提取法和微生物发酵法、化学合成法、酶转化法、 、7但在成本和产量上，都有不少缺点。而用基因工程法来合成海藻糖，成为具有广阔前景的研究。用生物技术生产海藻糖，或将葡萄糖转化为海藻糖的基因通过一种细菌导入酵母、甜菜、马铃薯、番茄等植物中，构建具有生产海藻糖能力的转基因植物，这种植物可使价值不菲的海藻糖进入百姓生活中。基因工程法制海藻糖的优点：1 成本低。2 转化率高。3 直接在微生物或植物中保存，
4、不易分解。4 易于食用。野生型的.中海藻糖积累很低，几乎无法检测。构建的基因菌株经渗透压诱导能大量合成海藻糖9。3.2 植物抗逆方面的应用传统的观点认为,抗逆性属数量性状,由多基因控制,因而进行抗逆育种,特别是转抗逆基因作物研究是一个比较困难的问题。但随着植物生理的抗旱分子生物学研究,人们逐渐确定了与抗逆性有关的重要基因,并进行了基因定位研究,取得了一定的进展11。很多极端耐旱植物在逆境胁迫下能合成大量海藻糖，使植物在极端环境中能够处于休眠状态，度过逆境，一旦条件合适，又能复苏。海藻糖具有独特的保水特性，与其他的渗透调节物质，如甘露醇、脯氨酸、甜菜碱等的调节原理不同，因此，应用转海藻糖合成酶基
5、因来提高植物抗性具有广阔的前景。3.2.1 转基因应用的理论前提海藻糖最初由 Wiggers 等从 1882 年从黑麦麦角菌中分离出来。后来发现它广泛分布于微生物、高等植物和无脊椎动物，甚至昆虫中。高等植物体海藻糖最初是从S.lepidophylla 中分离得到的,它在干旱时休眠,而重新给予水分后又复活。拟南芥和水稻中的某些克隆同大肠杆菌和酵母有高度同源的序列表达标签(EST)10。这就为把海藻糖合成酶基因导入植物并使其在植物中表达提供了一定的科学前提。近年来,随着对海藻糖合成代谢途径的深入研究,许多微生物中各种海藻糖合成酶基因已相继被克隆,如大肠杆菌的 otsA、otsB 基因,酿酒酵母中的
6、 tps1、tps2、tsl1 基因,担子菌灰树花中的 Tsase 基因等。123.2.2 海藻糖对提高植物抗逆性的应用Oscar 等将大肠杆菌中的 ostA，ostB 基因转入烟草及马铃薯,获得了良好的抗逆效果1。陈红漫等在国内首次将酵母中海藻糖合成酶基因克隆并转入烟草,发现海藻糖对叶片中细胞器的膜结构具有较好的保护作用12。我国的赵恢武等、戴秀玉等也已相继分别将tps 基因和 ost 基因转入烟草,使其耐旱性增强。荷兰植物生物技术公司把 OstBA 导入甜菜、马铃薯中,在获得廉价海藻糖的同时,增强了植物的抗旱性和抗寒性。可见,海藻糖在双子叶植物中具有较好的抗逆效果,但其在禾谷类作物中的作用
7、还有待于进一步的研究。目前，樊剑鸣已将 tps 基因转入到小麦中，并得到抗性植株。张树珍转化海藻糖合成酶基因到甘蔗中，得到转基因植株。但是，转基因烟草的形态发生多种改变,包括变矮,茎变细,叶子呈柳叶状,腋芽明显, 大大降低转基因植物的生物量，同时耐旱性又得到增强。 因此，也有很多研究采用了用诱导型启动子或者让基因在特定组织内表达，来解决这些问题。美国的科研人员把昆虫体内两个与海藻糖合成有关的基因转入水稻，使这两个基因只在胁迫环境下，在特定组织里的表达。北京大学赵恢武、陈杨坚等通过程序克隆拟南芥的干旱诱导性启动子 Prd29A 来启动海藻糖-6-磷酸合酶基因，通过根癌土壤杆菌介导,获得转基因烟草
8、。但是， 北京大学对用 PCR 方法获得的 Prd29A 进行了功能鉴定,表明干旱处理确实能使由它调控的 GUS 基因的表达增强。在组培条件下, Prd29A 控制 TPS 基因表达时,转基因植株仍然表现出显著的形态变异。具推测，海藻糖一旦在转基因植株中积累,将影响到糖代谢,激发一些信号而影响转基因植株的发育,并且这种影响会一直持续下去。134 前景和挑战由于海藻糖广泛的应用和市场，从农业、食品、医学到生物领域，都有其利用价值，因为昂贵的价格成为其推广的一个障碍，但转海藻糖合成酶基因广阔的发展前景，必然会有更多的科研者从事这方面的研究。利用微生物、植物来生产海藻糖的技术会得到推广；在植物抗逆方
9、面，取得了一定的成果，确实能使植株在逆境环境中生长，但由于海藻糖合成酶基因在植物体内的表达存在过量的问题，带来了使转基因植物形态发生改变和生长缓慢的负面效应，同时，产生出的海藻糖影响了植物的糖代谢，并且在正常环境下不能被有效的分解，导致转基因植物生长不正常。这些问题都还有待研究。参考文献1 张玉华,凌沛学,籍保平 食品与药品 2005,7:8-12.2.,1990,27:219-231. 3.,1992,54:579-599. 4.,1992,174:889-898. 5 ,. .1991,4:38.6 张丽杰 ，邸进申 ，全学军 ，赵天涛 ，张雪莲 ，李英杰. 生物技术 2005,15(1):31-337 涂国云. 山西食品工业 2003,3:33-358黄成垠戴秀玉周坚微生物学通报1997,24:341-343. 9 .,1987,220:113-115.10 王三根.海藻糖提高绵羊红15号小麦幼苗耐盐能力的研究.西南农业大学学报,1992,14(2):18218511 张正斌,山仑.作物抗旱生理性状的遗传研究进展.科学通报,1998,43(17):1812181712 李 莉 黄群策 秦广雍 生 物 学 通 报 2003,38(6):6-713赵恢武 陈杨坚 胡鸢雷 高 音 林忠平. 植 物 学 报 ,2000,42(6):616-619
