扩展蛋白在果实成熟过程中的作用研究进展

赵美荣，李永春，黄文婕（赤峰学院　生命科学学院，内蒙古　赤峰　024000）



扩展蛋白在果实成熟过程中的作用研究进展

赵美荣，李永春，黄文婕
（赤峰学院生命科学学院，内蒙古赤峰024000）

摘要：扩展蛋白是一种调节细胞壁伸展和结构松弛的细胞壁蛋白，存在于各种植物的果实中，在果实成熟过程中发挥着重要作用.不同的扩展蛋白作用不同，其表达具有时空效应，有些扩展蛋白基因仅在果实膨大期表达，而有的扩展蛋白基因是果实软化特异的.不同的扩展蛋白作用机制不同，这与其在果实成熟过程中的作用密切相关.

关键词：扩展蛋白；果实；膨大；成熟

果实成熟过程中，不仅仅有色、香、味等品质的变化，还有果实硬度的变化，果实软化往往是一个标志果实成熟的重要特征，涉及一系列生理生化变化.软化后的果实容易受到病菌侵染，且易受到机械损伤，导致果实的耐藏性和抗病性下降，货架期缩短.因此，果实软化机理及其控制一直是各国学者研究的重点.

一般认为，果实软化是由细胞壁水解酶，如多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶甲酯酶（PME）、纤维素酶等促进细胞壁物质的降解，从而引起细胞壁超微结构发生变化所致［1］.然而，利用基因工程改变果实水解酶活性，果实依然出现软化现象.伴随着扩展蛋白的发现，许多研究表明，扩展蛋白与果实成熟软化密切相关.Rose等［2］研究发现，番茄扩展蛋白基因LeEXP1在果实成熟期特异表达，而且该基因受乙烯的诱导. Brummell等［3］利用转基因技术，增强或抑制LeEXP1的表达，结果发现，过量表达LeEXP1的果实加速软化，而抑制LeEXP1表达的果实则保持较高的硬度.这些结果表明，扩展蛋白可能在果实成熟软化过程中起作用.本文就扩展蛋白的作用机制及其在果实成熟软化过程中的作用进行了综述.

1　扩展蛋白概述

McQueen-Mason等［4］于1992年从黄瓜（Cucumicsativus）细胞壁中分离得到了两种细胞壁蛋白，CsEXP1和CsEXP2，发现它们可以在酸性条件下诱导离体细胞壁的扩张生长，因此被命名为“扩展蛋白，expansins”.目前已知扩展蛋白广泛存在于双子叶和单子叶植物中，是调节细胞壁伸展和松弛的细胞壁蛋白酶.

1.1扩展蛋白的基因家族及蛋白结构

扩展蛋白是一个庞大的基因家族，目前，植物扩展蛋白主要分为4大类，即expansinA（EXPA）、expansinB（EXPB）、expansin-likeA（EXLA）和expansin-likeB（EXLB）［5］.研究发现，EXPA在大多数植物中是最大的一个扩展蛋白家族，在植物界广泛存在，EXPB在单子叶植物中要比在其它植物种类中多，而EXLA和EXLB目前发现和研究的较少，至今为止，还没有证据表明EXLA和EXLB基因在植物中活跃表达，其功能尚不清楚［6］.

序列分析表明扩展蛋白由250-270个氨基酸组成，具有三个结构域［7］.N端是信号肽，由22-25个氨基酸组成，引导扩展蛋白定位于细胞壁.中间区域是由120-135个氨基酸组成的结构域I（domainI），即扩展蛋白的催化区域（catlysis domain，catdom），包含半胱氨酸残基和HFD（His-Phe-Asp）基序，是扩展蛋白的结构特征.C端是结构域II（domainII），由90-120个氨基酸组成，具一系列保守的色氨酸残基，主要作用是协助扩展蛋白结合到细胞壁上，故是扩展蛋白的结合区域（cellulose-bindingdomain，CBD）.除掉信号肽之后，成熟的扩展蛋白分子量大约在25-28kD之间［8］.

1.2扩展蛋白的作用机制

扩展蛋白是一种酶蛋白，但不具有蛋白水解酶、糖基转移酶等的活性.扩展蛋白通过打断细胞壁纤维素与半纤维素之间的非共价键，促使它们之间相互位移，从而引起细胞壁伸展，促进细胞的扩大［9］.

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶、木质素和糖蛋白组成，纤维素微纤丝与基质多糖之间以及多糖分子之间的结合是很复杂的，有些半纤维素分子结合在纤维素微纤丝表面，也有些半纤维素伸入到纤维素微纤丝的内部.扩展蛋白既可以打断多聚糖与纤维素微纤丝表面的结合，也可以打断多糖分子之间的结合，在膨压引起的机械压力作用下，扩展蛋白促使细胞壁多聚体缓慢滑动，产生位移，纤维素微纤丝间的距离拉大，从而使细胞壁伸展.

除了促进细胞壁伸展以外，扩展蛋白还与其他细胞壁酶相互作用，促进细胞壁的降解［10］.首先，在质膜H+-ATP酶作用下，细胞质中的H+泵出细胞到细胞壁，降低细胞壁的pH，即使细胞壁酸化，从而促使扩展蛋白以及其它一些酸依赖性的酶活化.然后，活化的扩展蛋白促使纤维素微纤丝表面的基质多糖释放一些短的多糖片段，使微纤丝与基质多糖之间相互滑动.接着其它的细胞壁蛋白发挥作用，内切葡聚糖酶催化基质多糖分解成较小的片段，导致了细胞壁的软化；内切木葡聚糖基转移酶又能重新催化短糖片段连接成长的多糖片段.

2　扩展蛋白在果实成熟软化过程中的作用

1997年，Rose等［2］发现了番茄果实成熟特异性扩展蛋白基因，LeEXP1.Rose等［11］利用LeEXP1抗体分别在鳄梨、柿子、猕猴桃、草莓等果实中也发现有扩展蛋白的表达.近年来，又在荔枝［12］、砂梨［13］、樱桃［14］等果实中发现有扩展蛋白基因.由此可见，扩展蛋白普遍存在于各种果实中，可能是果实生长发育过程中的作用因子.

不同的扩展蛋白行使不同的功能.一方面促进细胞壁的松弛伸展，调节细胞生长；另一方面参与细胞壁物质的降解，调控细胞壁结构的变化.在果实中，扩展蛋白的表达往往受到不同发育阶段的调控，这可能与其行使不同的功能有关.一般可将果实扩展蛋白分为两大类：一类与果实的生长膨大有关，另一类与果实成熟软化有关.

2.1扩展蛋白与果实的生长膨大

果实膨大涉及到细胞的生长，而细胞壁是限制生长的主要因素，因此细胞壁的伸展和松弛是细胞生长的前提.研究表明，扩展蛋白对细胞壁的伸展活性在果实生长膨大期发挥重要作用.Brummell等［3］分析了番茄果实中扩展蛋白基因LeEXP3、LeEXP4、LeEXP5、LeEXP6、LeEXP7的表达，结果发现，这些基因在番茄果实生长到绿熟阶段有不同程度的表达，而在成熟果实中没有表达，表明这些基因与果实的生长膨大有关.草莓果实的生长与FaEXP3、FaEXP4、Fa-EXP6、FaEXP7等密切相关［15］.常晓晓等［16］从富平尖柿果实中克隆到5个扩展蛋白基因，其中CDK-Exp6和CDK-Exp7在果实膨大期表达.Asha等［17］（2007）研究发现，香蕉扩展蛋白基因MaEXPA4在果实生长和成熟期均有表达，可能与果实膨大有关.龙眼中，5个扩展蛋白基因DlEXP1-5在果实发育的不同阶段，表达模式不同，其中，DlEXP1、DlEXP2在果皮和假种皮的快速生长阶段高水平表达，萘乙酸处理后，表达水平上调，这些结果表明，龙眼扩展蛋白在其果实生长过程中起重要作用［18］.

2.2扩展蛋白与果实的成熟软化

果实的成熟软化涉及到细胞壁物质的降解和细胞壁结构的变化，研究表明，扩展蛋白参与调节果实的成熟软化.大量研究表明，番茄扩展蛋白基因LeEXP1是果实成熟特异性基因，与果实成熟软化正相关［2，3］.Xue等［19］利用Northern杂交技术分析了番茄果实中扩展蛋白基因LeEXP1、多聚半乳糖醛酸酶基因（PG）以及脂氧合酶基因（LOX）表达与果实成熟、乙烯诱导之间的关系，结果表明，在番茄果实成熟软化过程中，PG起主要作用，LOX和EXP协助调节.Civello等［20］（1999）研究发现，草莓扩展蛋白基因FaEXP2的mRNA含量在绿色果实中很低，伴随果实的成熟，丰度增加，成熟后又开始降低，这一结果进一步表明扩展蛋白是果实成熟过程的关键因子.Figueroa等［21］的研究也表明，智利草莓扩展蛋白基因FaEXP2和FaEXP5与果实软化密切相关.Ishimaru等［22］分析了3个葡萄扩展蛋白基因Vlexp1、Vlexp2、Vlexp3的表达特性，发现3个扩展蛋白基因与葡萄果实发育过程中细胞分裂、细胞扩大以及果实成熟相关，尤其是Vlexp3是果实成熟特异的.香蕉扩展蛋白基因MaEXPA2受乙烯诱导表达，与果实成熟高度相关［17］.

果实的成熟软化与乙烯密切相关，研究表明许多果实扩展蛋白基因受乙烯诱导表达.番木瓜（CaricapapayaL.）是典型的呼吸跃变型果实，其成熟软化受乙烯诱导调控.番木瓜扩展蛋白基因VpEXPA2在果实成熟期表达，且受到乙烯的诱导［23］.牛艳梅等［24］通过实时荧光定量PCR发现，Cp-EXP1基因表达受乙烯调控，在乙烯处理的果实中，该基因表达提前达到高峰.猕猴桃扩展蛋白基因Ad-EXP1和Ad-EXP2的表达受乙烯上调，与果实成熟相关［25］.孙振营等［26］研究富平尖柿采后果实软化机理，发现丙烯处理可促进柿果实成熟软化，使乙烯释放量增加和提前，而且扩展蛋白基因DKEXP3和DKEXP4的表达水平增加，其表达高峰出现早于乙烯出现高峰，表明扩展蛋白可能在采后柿子果实软化前期起作用.

3　小结与展望

细胞壁的伸展和松弛是果实成熟过程中重要的生理反应.扩展蛋白作为细胞壁蛋白，与其他细胞壁酶蛋白相互协作，在细胞壁伸展及结构松弛方面起着重要作用.果实的逐渐膨大往往伴随着特定扩展蛋白基因的表达，而果实的成熟软化也需要扩展蛋白的积累，且扩展蛋白的表达和果实成熟激素乙烯密切相关.通过扩展蛋白的积累，调节细胞壁的组分，促进细胞壁松弛伸展，加速细胞壁结构的变化，从而有利于果实膨大，加快果实的软化成熟.扩展蛋白为调控果实成熟软乎进程提供了新的思路，对果实运输和贮藏具有一定的意义.然而，扩展蛋白是一个多基因家族，不同的扩展蛋白作用不同，具体作用机制还不清楚，在果实成熟过程中如何发挥作用还需要进一步深入研究.

参考文献：

〔1〕赵云峰，林河通，林娇芬，陈绍军.果实软化的细胞壁降解酶及其调控研究进展 ［J］.仲恺农业技术学院学报，2006，19（1）：65-70.

〔2〕Rose JKC，Lee HH，Bennett AB.Expression of a di-vergent expansin gene is fruit specific and ripening regulated［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1997，94：5955-5960.

〔3〕Brummell DA，Harpster MH，Dunsmuir P.Differential expression of expansin gene family members during growth and ripening of tomato fruit ［J］.Plant Mol Biol，1999，39（1）：161-169.

〔4〕McQueen-Mason S，Durachko DM，Cosgrove DJ.Two endogenous proteins that induce cell wall expansionin plants［J］.PlantCell，1992，4：1425-1433.

〔5〕Kende H，Bradford KJ，Brummell DA，Cho HT，Cos-grove DJFleming AJ，Gehring C，Lee Y，McQueen-Mason SJ，Rose JKC，Voesenek LACJ.Nomenclature for members of the expansin superfamily of genes and proteins［J］.Plant Molecular Biology，2004，55：311-314.

〔6〕赵美荣，李永春，王玮.扩展蛋白与植物抗逆性关系研究进展［J］.植物生理学报，2012，48（7）：637-642.

〔7〕徐筱，徐倩，张钅習，徐吉臣.植物扩展蛋白基因的研究进展［J］.北京林业大学学报，2010，32（5）：154-162.

〔8〕Cosgrove DJ，Li LC，Cho HT，Hoffmann-Benning S，Moore RC，Blecker D.The growing world of ex-pansins［J］.Plant Cell Physiology，2002，43：1436-1444.

〔9〕Cosgrove DJ.Loosening of plant cell wall by expansins ［J］.Nature，2000，407：321-326.

〔10〕Cosgrove DJ.Cell walll oosening by expansins［J］.Plant Physiol，1998，118：333-339.

〔11〕Rose JKC，Cosgrove DJ，Albersheim P，Darvill AG，Bennett AB.Detection of expansin proteins and activi-ty during tomato fruit ontogeny［J］.Plant Physiol，2000，123：1583-1592.

〔12〕陆旺金，蒋跃明.荔枝果实两个膨大素基因的克隆及序列分析［J］.中国农业科学，2003，36（12）：1525-1529.

〔13〕宋长年，乔玉山，章镇，胡钟东，渠慎春，熊爱生，姚泉洪.砂梨扩展蛋白基因cDNA克隆及全序列分析［J］.果树学报，2008，25（2）：166-171.

〔14〕Karaaslan Mehmet，Hrazdina Geza.Characterization of an expansin gene and its ripening-specific promoter fragments from sour cherry（Prunuscerasus L.）cultivars ［J］.Acta Physiol Plant，2010，32：1073-10.

〔15〕Harrison EP，McQueen-Mason SJ，Manning K.Ex-pression of six expansin genes in relation to extension activity in developing strawberry fruit［J］.JExpBot，2001，52（360）：1437-1446.

〔16〕常晓晓，饶景萍，刘乐.柿果实扩张蛋白基因cDNA克隆及原核表达［J］.园艺学报，2010，37（7）：1139-1146.

〔17〕Asha，Sane VA，Sane AP，Nath P.Multiple forms of α-expansin genes are expressed during banana fruit ripening and development［J］.Postharvest Biology and Technology，2007，45：184-192.

〔18〕Xie H，Chen JY，Yuan RC，Zhong YX，Feng HL，Xu SJ，Li JG，Lu WJ.Differential expression and reg-ulation of expansin gene family members during fruit growth and development of‘Shijia’longan fruit［J］. Plant Growth Regul，2009，58：225-233.

〔19〕Xue ZH，Kou XH，Luo YB，Zhu BZ，Xu WT.Ef-fect of Ethylene on Polygalacturonase，Lipoxygenase and Expansin in Ripening of Tomato Fruits［J］.Trans Tianjin Univ，2009，15：173-177.

〔20〕Civello PM，Powell ALT，Sabehat A，et al. An ex-pansin gene expressed in ripening strawberry fruit［J］. Plant Physiology，1999，121（4）：1273-1279.

〔21〕Figueroa CR.，Pimente lP，Dotto MC，Civello PM，Martínez GA，Herrera R，Moya-León M A.Expres-sion of five expansin genes during softening of Fragaria chiloensis fruit：Effect of-auxin treatment［J］.Postharvest Biology and Technology，2009，53：51-57.

〔22〕Ishimaru M，Smith DL，Gross KC，Kobayashi S. Ex-pression of three expansin genes during development and maturation of Kyoho grape berries［J］.Journal of Plant Physiology，2007，164：1675-1682.

〔23〕Gaete-Eastman C，Figueroa CR，Balbontín C，Moya M，Atkinson RG，Herrera R，Moya-León MA.Expression of an ethylene-related expansin gene during softening of mountain papaya fruit（Vasconcellea pubescens）［J］.Postharvest Biology and Technolo-gy2009，53：58-65.

〔24〕牛艳梅，沈文涛，卢雅薇，周鹏.番木瓜果实扩展蛋白Cp-EXP1基因表达的荧光定量PCR分析 ［J］.生物技术通讯，2008，19（1）：84-86.

〔25〕Yang SL，Xu CJ，Zhang B，Li X，Chen KS.Involve-ment of both subgroups A and B of expansin genes in kiwifruit fruit ripening［J］.Hort Science，2007，42（2）：315-319.

〔26〕孙振营，韩叶，李秀芳，马秋诗，饶景萍.柿采后丙烯和1-甲基环丙烯处理对两个扩展蛋白基因表达的影响［J］.园艺学报，2014，41（6）：1089-1095.

中图分类号：Q945.78

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）06-0011-03

收稿日期：2016-02-20

基金项目：内蒙古自然科学基金（2013MS0502）

通讯作者：赵美荣，1981-，女，讲师.主要研究方向：植物抗逆生理研究