高等植物ACS基因家族及其功能研究进展

翟建盛 侯和胜

摘要：1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)合成酶(ACS)是乙烯合成过程中的限速酶,对乙烯的合成具有重要的调控作用：在低氧、高温、激素胁迫等环境及果实成熟过程中ACS基因都会调控ACS表达量的明显变化从而影响乙烯的合成，进而影响植株的生长。对国内外该基因在不同环境下的表达量变化进行综合论述，以期为今后ACS基因的研究提供重要信息和有价值的参考。

关键词：1-氨基环丙烷-1-羧酸；1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶；ACS基因；胁迫

中图分类号：Q789 文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.01.009

A Review of ACS Gene Family and It's Function in Higher Plant

ZHAI Jian-sheng，HOU He-sheng

（School of Life Science，Liaoning Normal University，Dalian，Liaoning 116082，China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ:1- aminocyclopropane-1 –carboxylic acid (ACC) synthase (ACS) isthe key rate-limiting enzyme for the synthesis of ethylene simultaneously ACS also plays an important regulatory role, such as:In hypoxia, heat, hormonesother environmental stress and fruit mature process.ACS gene will regulate the ACS expression significantlyaffecting the synthesis of ethylene, and thenaffecting the growth of plants.Therefore,the research pay attention to the ACS gene expression under different environmental changes in the domestic and foreign discussion,in order to provide a reference for subsequent researchers.

Key words: l-aminocyclopropane-1-carboxlic acid；l-aminocyclopropane-1-carboxlic acid synthase；l-aminocyclopropane-1-carboxlic acid synthase gene；stress

植物在生长发育过程中受到各种生物和非生物逆境因子的伤害和侵袭，如：干旱、低温、高盐及病原菌等。这些胁迫因素严重影响植物的生长能力，对于作物而言直接导致其产量降低。近年来，随着植物抗逆分子机理研究的不断深入和细胞、基因工程等技术的日趋完善，为抗逆作物新品种的培育开创了崭新的途径，并且能够成功地利用候选基因提高作物的抗逆能力。

乙烯(C2H4)是20世纪初被发现的植物气体激素，是植物调节多种生长阶段和胁迫响应的信号分子[1]，其作用贯穿到种子萌发、叶片和花的脱落、果实成熟、细胞延长、创伤和病原菌侵染响应等从植物种子萌发到果实成熟直至植株衰老的一系列生命过程[2-8]。多种逆境因子都可以诱导乙烯生物合成量的增加，进而最终使得植物对多种逆境胁迫具有抵抗和耐受能力，对植株生理功能产生重要影响。乙烯合成是一个连续的生物化学反应过程，蛋氨酸由腺苷蛋氨酸合成酶催化生成腺苷蛋氨酸，腺苷蛋氨酸再由ACC合成酶（l-aminocyclopropane-1-carboxlic acid synthase，ACS）催化生成ACC（l-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC），在ACC氧化酶（l-aminocycloProPane-1-carboxylic acid oxidase，ACO）作用下生成乙烯[2，9-10]。由此可见，ACS在乙烯合成通路中是关键的限速酶。

研究表明，ACS的合成是受到ACS基因编码的，其活性也受到转录水平和转录后水平的调控，许多ACS基因已经从番茄、冬瓜、苹果、康乃馨、笋瓜、豇豆以及拟南芥中得到了克隆，且不同的ACS基因具有不同的调控机制。因此，对高等植物中ACS基因的表达调控进行研究，是植物抗逆分子机理研究的重要组成部分，近些年来受到科研工作者的广泛重视。关于乙烯合成过程中关键的限速酶—ACS在植物中的抗逆能力研究具有深远的意义。

笔者着重介绍了ACS基因及其家族成员在多种植物种类、不同环境胁迫下的功能研究进展，期望为今后进一步深入探讨植物耐受逆境胁迫的分子机制提供充足的理论基础。

1ACS基因及其家族成员

ACS属于以磷酸吡哆醛（PLP）为辅酶的酶家族[2,4,11-13]，氨基乙氧基乙烯基甘氨酸(AVG)和氨基氧乙酸(AOA)是ACS的竞争性抑制剂。PLP第四位置上的甲酰基团形成由特殊亮氨酸残基的氨基酸基团结合而成的醛亚胺，由此形成一个具有酶活性位点的席夫碱。ACS的最大吸收波长位于426～431 nm之间，这可能是由于席夫碱的存在造成的[14]。ACS的最大同源性部分是在多肽的内部，酶的活性中心位于保守区域。活性中心含有一个赖氨酸残基，该残基与结合辅酶PLP、催化反应发生及参与依赖基质的酶钝化有一定的关系，而差异最大的是在C-端。如图1所示，ACS是高等植物乙烯产生过程中重要的限速酶，S-腺苷蛋氨酸(s-adenosyl methionine，SAM)）不断的合成并被其他反应所利用（如多胺的合成），而ACO活性是最基本的，因而其他两种途径于乙烯合成的限速作用程度较低。除此之外，ACS可催化合成5-甲基硫代腺苷（MTA），MTA会被杨循环中的SAM所回收利用，再参与到乙烯合成。ACS在一般植物组织中含量较低，受生物和非生物胁迫因子诱导从头合成，不易被分离纯化[15]。

在乙烯生物合成途径中，乙烯形成的直接前体ACC是在ACS作用下催化SAM产生的。天然的ACC是一种非蛋白类的特种氨基酸，广泛存在于高等植物中。由于ACC结构中环丙烷环的空间张力和“不饱和性”，其生物活性较为活跃。ACC对动植物均具有明显的生物调控作用，是一种新型的双重生长调节剂。在生物科学领域具有重要研究意义和价值。在医药上，ACC具有令人兴奋的药理作用，显示了潜在的巨大的医药价值，其中一些含有ACC的多肽更具有突出的意义。目前已有多种方法可以人工合成ACC，比如季铵碱热解法、蛋氨酸仿生合成法等。

植物体中编码ACS的基因ACS是家族基因，目前拟南芥中克隆得到的有12种，分别是At-ACS1～At-ACS12；番茄中9种分别是LE-ACS1A、LE-ACS1B和LE-ACS2～LE-ACS8；烟草7种NT-ACS1、NT-ACS2、NT-ACS4、NT-ACS6～NT-ACS 9；苹果中3种Md-ACS1-3、Md-ACS5A和Md-ACS5B；马铃薯中5种ST-ACS1A、 ST-ACS1B、ST-ACS2、ST-ACS4、ST-ACS5等。经研究表明，大多数植物都存在一个以上的ACS基因，番茄中至少存在9个ACS基因，绿豆的下胚轴中至少有5个，水稻中有5个，拟南芥中有12个，西葫芦和笋瓜中各有2个，表明ACS是由多基因家族编码，在同一种植物中的不同ACS基因在很多情况下具有发育阶段、器官和对外界刺激的特异性。特定的胁迫条件能启动某一特定的ACS基因的表达,一般认为这些基因分别与伤害诱导、植物激素诱导和果实成熟相关。比较数据库中己释放的ACS家族基因核苷酸和氨基酸序列，发现所有已知植物的ACS基因家族成员的编码区之间都有约60%的相似性，氨基酸序列相似性一般为48%～97%，编码蛋白分子量为1.8～2.1 kb。其中，最大的同源性部分在多肽的中部，差异最大的部分集中在C端。预测ACS基因二级结构具有较高比例的Alpha helix（α-折叠）和Random coil（无规卷曲）。

2ACS基因功能研究现状

2.1 低氧胁迫相关基因

Ivo Rieu（2005）等发现沼生酸模RP-ACS1可以在浸入水中并给予持续光照和稳定温度的幼生沼生酸模植株的嫩枝和根中检测到，浸入水中的植株在嫩枝中RP-ACS1 mRNA水平

在前12 h几乎是稳定的，而在24 h后开始明显的累积，并达到一个较高的水平，一直持续到第48 h。RP-ACS1同时也在根中表达，但是在低氧条件下并未检测到根中RP-ACS1表达量的明显增加。浸入水中的植株与未浸入水中的植株嫩枝中的ACS活性检测比较显示，在植株浸入水中6 h后ACS活性剧烈增长，而之后又开始下降，但仍然高于未浸入水中的植株[16]。Thomas I. Zarembinski等（1993）自水稻中克隆得到OS-ACS1、OS-ACS2和OS-ACS3基因，他们对水稻进行低氧处理12 h后发现，3个基因表达量有所不同，并存在组织特异性表达，OS-ACS1在嫩茎中表达而在根中不表达；与OS-ACS1相反，在相同环境下OS-ACS2仅仅在根中表达；而OS-ACS3主要在黄化的种子中表达，并且受到N2的抑制，这些诱导对蛋白合成抑制剂不敏感，表明这种组织特异性表达是对诱导剂基本的应答[17]。Zhongyi Zhou等（2001）将水稻种子完全浸入水中，发现OS-ACS5表达量是通风生长条件下表达量的8倍左右，2 d后浸水种子中的OS-ACS5表达量开始下降，但是14 d后依旧高于通风生长的（约2倍）[18]。

2.2机械损伤相关基因

Jeannette M.等（1999）为更好地阐述拟南芥组织受到创伤胁迫后乙烯含量增加的现象，进行了相关试验研究。发现在轻度伤害处理拟南芥叶片0 min时At-ACS6无法检测到，直到5 min可以检测到At-ACS6的表达，15 min时表达量达到最大值，然后开始逐渐下降，30 min可以检测到少量At-ACS6，60 min完全检测到大量At-ACS6表达。而试验证实，At-ACS1、At-ACS2、At-ACS4和At-ACS5在轻度伤害诱导的叶片中不表达[19]。

2.3激素刺激相关基因

Jeannette M等（1999）用100 μmol·L-1的IAA处理光照条件下3周龄的拟南芥植株6 h，发现At-ACS6的表达明显增长，并且内生ACC增加约7倍。而用500 μmol·L-1 CuCl2处理拟南芥植株6 h时At-ACS6的表达量增长迅速，并且内生ACC的量也相应增长了约10倍。100 μmol·L-1NaCl处理3周龄的拟南芥植株，ACC量增长了约2倍，At-ACS2的表达量也相应的少量增加[23]。Ning Li等（1992）发现水杨酸(salicylic acid)可以抑制创伤条件下番茄果实ACS基因的表达。在使用2 mmol·L-1水杨酸处理植株时，对可提取的ACS进行酶活检测，9 h时为0.24 nmol·mg-1·h-1，而未经水杨酸处理的植株为2.55 nmol·mg-1·h-1，相当于抑制了该酶90%的活性[20]。蛋白质合成酶抑制剂—放线菌酮(CHX)可以抑制大部分ACS基因的表达，研究认为放线菌酮的增加会抑制一种短期抑制蛋白的表达，而ACS基因的表达可能受这种蛋白的控制[17]。

2.4高温胁迫相关基因

Pranom Yangkhamman等（2007）在对康乃馨切花进行高温处理时发现，持续24 ℃处理时，DC-ACS1在花瓣中的表达量是雌蕊中的50倍，并且在花瓣中第7天开始表达，第10天达到最大值。另外，雌蕊中DC-ACS1在第4天开始表达，第7天达到最大值。而对其进行32 ℃处理时，在花瓣和雌蕊中都检测不到DC-ACS1的表达。同时，24℃处理时检测到DC-ACS2的表达水平明显低于DC-ACS1，而DC-ACS2在32 ℃时可以检测到微量的表达。在两种温度处理条件下都能检测到DC-ACS3的表达，并且均在第6天达到最大值，尽管在24 ℃时表达水平明显高于32 ℃[26]。

2.5果实成熟相关基因

Miho T.等（2005）指出，栽培品种硬桃果实的软化程度受到低乙烯生产水平的抑制，而乙烯生产水平低的原因是由于Pp-ACS1表达受到了抑制[22]。随着ACS基因研究的深入和广泛，已经在多种植物中进行深入的探讨，如香蕉[23-24]、小籽野香[25]、天竺葵[26]、黄瓜[27]、西兰花[28]、笋瓜、苹果[29]、马铃薯、番茄[13,29-33]、柑橘、哈密瓜、桃、猕猴桃[34]、柿[45]、薄皮甜瓜[36]等。

3总结

ACC 合成酶基因ACS是一个多基因家族,其中每个基因成员的表达调控受不同胁迫因素的诱导, 基因的表达也较为复杂, 其调节主要发生在转录水平上，同时也发生在翻译水平上[37-39]。因此，对乙烯生物合成的调控可能存在多种综合因素， 通过不同的调控因子分别接受不同的刺激，诱导特定的ACS的表达，同时也通过所编码蛋白的氨基酸序列的差异决定其反应的动力学性质及乙烯生物合成的速度[40-41]。

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收稿日期：2011-12-05；修订日期：2012-01-29

基金项目：国家自然基金（30671439）

作者简介：翟建盛（1986-），男，山东济南人，在读硕士生，主要从事植物生理生化方面研究。

通讯作者简介：侯和胜（1955-），男，辽宁丹东人，教授，博士生导师，主要从事植物生理生化方面研究。