蔗糖合酶参与纤维素和胼胝质合成

纤维素和胼胝质是由纤维素合酶CESA和胼胝质合酶GSL以UDPG为底物在细胞膜上合成的。SUS可以分解蔗糖产生UDPG，为纤维素和胼胝质合成提供底物。

SUS参与纤维素合成最早是在棉花中发现的。棉花纤维分化形成时首先在胚珠表皮上出现芽状凸起，然后在进行后续的纤维细胞分化和纤维合成。

SUS正常棉花中大量表达，而在无纤维棉花突变体（fls）中，无论在RNA水平还是在蛋白质水平都检测不到SUS的表达。

这些证据初步表明SUS可能在棉花纤维细胞分化和纤维素合成过程中起作用。 利用免疫金标记技术观察到SUS位于纤维素合酶复合体CSC中。

通过CESA抗体免疫共沉淀CSC复合体，然后用LC-MS/MS进行质谱鉴定，可以解析CSC的组成。

利用此方法发现SUS存在于杨树和棉花的CSC中，说明SUS可能作为CSC的一部分参与纤维素合成。在棉花中超表达马铃薯的SUS基因，可以显著提高转基因棉花的纤维长度和纤维产量。

抑制棉花种子中SUS，会降低纤维素和胼胝质含量。在棉花中超表达SUS基因GhSusA1可提高棉花纤维产量和品质，增加生物质产量，而抑制该基因会降低棉花纤维品质。

在木本植物杨树中超表达棉花SUS基因，可显著加快木质部纤维素积累，增加纤维素含量、结晶度和次生细胞壁厚度。这些证据表明SUS在纤维素和胼胝质合成过程中起重要作用。

蔗糖合酶参与淀粉的合成

在植物体内，淀粉合成集中于2个区域：（1）具有光合作用功能的源器官叶片的叶绿体中；（2）果实、种子、块茎等库器官细胞的淀粉体中。

淀粉合成是在淀粉合酶（Starch synthase, SS）和其它辅助酶的作用下完成的，其合成所需的直接底物是腺苷二磷酸葡萄糖。

蔗糖合酶通过提供ADPG底物来促进淀粉合成。其可能通过2种生化途径来提供ADPG。

间接途径。首先，蔗糖被分解成果糖和UDPG，UDPG在UDPG焦磷酸化酶作用下转化成1-磷酸葡萄糖（G1P），经磷酸葡萄糖变位酶（PGM）催化转变为6-磷酸葡萄糖（G6P），再经由ADPG焦磷酸化酶（AGPase）作用最终产生ADPG。

这是植物源叶片和库器官中合成淀粉的主要途径，其中SUS和AGPase共同决定了ADPG的供应。

直接途径。以ADP作为葡萄糖基受体，SUS分解蔗糖直接生成ADPG，用于淀粉合成。

蔗糖合酶在淀粉合成中起作用首先是在玉米SUS突变体sh1中得到了证实。

sh1突变体的胚乳中SUS活性仅为野生型的10%，胚乳中淀粉含量降低20%，籽粒皱缩干瘪，籽粒干重仅为正常干重的60%。

淀粉在水稻胚乳发育过程中大量合成，SUS活性在弱势粒胚乳中明显低于强势粒。SUS的活性与淀粉合成速率正相关，可决定果实最终的大小及产量。

对马铃薯SUS基因进行抑制后，马铃薯块茎中的的SUS活性降低，导致马铃薯块茎UDPG和ADPG含量仅为对照的30%和35%，淀粉含量显著降低。

在玉米中转入马铃薯的蔗糖合酶基因StSUS4，转基因玉米的SUS活性，种子中的淀粉和ADPG的含量都显著增加。上述结果说明，蔗糖合酶在淀粉的生物合成中发挥着重要作用。

蔗糖合酶影响种子和果实发育

蔗糖合酶分解蔗糖产生的己糖可以为种子发育、细胞分裂及延伸提供碳源。此外，SUS可以通过调节碳源分配来调控种子发育的进程。

只抑制棉花胚珠表皮的SUS表达会显著阻止棉花纤维的发育，但对棉花胚及种子的发育无影响，而抑制棉花种子胚乳中SUS，会造成胚乳变形，纤维素和胼胝质含量下降，导致种子早期发育受阻。

在拟南芥SUS突变体种子中，种子发育过程中的可溶性糖、次级代谢物等物质含量都发生了显著改变，但不影响成熟种子的大小。

在菜豆中，抑制SUS的基因表达，会导致胚的发育延迟，胚和胚柄的形态发生改变，最终导致种子发育异常。

此外，SUS在葡萄柚、柑橘、猕猴桃、草莓等果实生长发育和成熟过程也起到关键作用。

蔗糖合酶可提高植株的抗性

当植物受到胁迫时，蔗糖（植物体内的主要碳源）就会发生积累，已有的研究表明SUS除了参与相应的代谢过程，还参与多种生物和非生物逆境响应。

蔗糖合酶可通过调节细胞内可溶性糖和渗透压的方式参与抗逆过程。低温、低氧、高盐、干旱、伤害等都会诱导蔗糖合酶的表达上调。

以氧胁迫为例，玉米野生型的根尖在恢复供氧后可继续生长，而SUS双基因突变体（sus1/sh1）缺氧处理时其根尖致死，恢复供氧后也不能正常分裂。

同样，马铃薯的SUS 突变体经过低氧胁迫后恢复供氧，突变体植株恢复生长的能力明显减弱。

缺氧逆境会诱导玉米根系胼胝质的产生和小麦根系中纤维素的增加。

在通风良好的条件下，拟南芥双突变体Atsus1/Atsus4可正常生长，而在缺氧胁迫条件下Atsus1/Atsus4生长会明显受到抑制。

反义抑制黄瓜CsSUS3降低了其抗氧胁迫能力。这些研究均说明SUS在低氧胁迫中起着关键作用。

SUS家族中不同基因在经历各种非生物胁迫时反应各不相同，并非所有基因都参与了逆境胁迫。

例如在氧胁迫条件下，拟南芥AtSUS1-6这6个同源基因中只有AtSUS1和AtSUS4的表达量上调，其他4个基因表达没有变化。

Atsus1/Atsus4双突变植株抗氧胁迫能力大幅下降，说明家族中主要是AtSUS1和AtSUS4参与了抗氧胁迫反应。

在大麦中，低温可诱导SUS1和SUS3表达上调，缺氧胁迫也会诱导SUS1表达上调，干旱胁迫可诱导SUS3表达上调，而各种胁迫条件都不能诱导SUS2的表达。

此外，SUS为胼胝质合成提供了底物UDPG，而胼胝质是植物应对伤害和病虫害等逆境过程非常重要的应激多糖。

在水稻中超表达蔗糖转化酶基因GIF1，转基因水稻的白叶枯病和稻瘟病抗性提高。其机理是蔗糖转化酶将蔗糖水解为葡萄糖和果糖，葡萄糖转换为UDPG，为胼胝质合成提供底物，而胼胝质得沉积阻碍了病菌的扩散。

AtCESA8启动子主要在次生细胞壁纤维素大量合成时发挥功能，而在胚乳中不表达。而PIN1c启动子主要在根、茎、茎基部表达，在穗部表达较低。

因此，这两个启动子使基因在水稻中特异地表达，可以让目标产物有效积累而不造成额外负担，减少基因持续过量表达对植物体带来的负面影响，尤其在细胞壁相关基因的功能研究和细胞壁改良中具有重要价值。

同时也可避免外源基因在食用部位胚乳中表达，解决食品安全隐患，在转基因育种中可能具有良好的应用前景。

本文对蔗糖合酶转基因材料进行了稻米品质测定、酶解产糖率和乙醇转化率测定、白叶枯、稻瘟病和褐飞虱接种等方面实验。

研究结果解析了蔗糖合酶和类伸展蛋白对转基因水稻多个重要农艺性状的改良的分子机制。

在颖壳中，蔗糖合酶通过动态调控初生壁和次生壁纤维素合酶基因及细胞周期基因的表达，影响颖壳的次生化进程和细胞分裂持续时间，从而调控水稻种子大小，间接影响稻米品质。

在茎秆组织中，蔗糖合酶通过增加半纤维素含量和降低纤维素结晶度，来增强水稻生物质酶解转化效率和倒伏抗性。

此外，蔗糖合酶还通过增加胼胝质含量来增强转基因水稻先天免疫性，提高生物抗性。而类伸展蛋白通过抑制细胞伸长和促进细胞壁增厚，来增加植株机械强度，从而增强转基因水稻抗倒伏能力。

植物细胞壁的化学组成与结构特性不仅决定着木质纤维素降解转化效率，还影响着茎秆的机械强度和倒伏抗性。

因此，遗传改良植物细胞壁对提高生物质糖化效率和抗倒伏性能力具有重要意义。

然而，由于植物细胞壁结构复杂多样，遗传改良细胞壁结构组成往往会对作物生长发育和粮食产量造成显著负面影响。

因此，为了使植物细胞壁遗传改良有的放矢，必须首先探明植物细胞壁基本结构，解析出影响生物质降解效率和倒伏抗性的细胞壁关键结构因子，并鉴定出相关重要基因。

本研究发现纤维素结晶度CrI是影响生物质降解和植物倒伏抗性的主要负因子。而半纤维素能与纤维素结合，降低纤维素结晶度，从而提高生物质降解效率和抗倒伏能力。

在水稻中超表达蔗糖合酶可以提高半纤维素含量降低纤维素结晶度，因此可通过超表达蔗糖合酶基因来筛选出能直接应用于能源生产的优良水稻材料。

本研究目的与意义

水稻是世界范围内广泛种植的粮食作物，为人们提供赖以生存的食物。近年来，水稻产量增长迅速，但也面临着新的挑战。

病虫害是影响水稻生产安全的重要因素，每年白叶枯、稻瘟病、褐飞虱都造成严重损失。倒伏在生产中普遍存在，是限制水稻产量和品质的重要因素。

目前生产上主要在加强栽培管理、注重化学防治和采用抗性品种三个方面对其进行防治，其中培育抗病虫害和抗倒伏品种被认为是最经济环保的防治方法。

水稻秸秆是含量丰富的可再生资源，可为生物能源和化工原料生产提供大量的原材料。

细胞壁是秸秆的主要组成，参与细胞形态建成、器官发育及信号转导，还是植物机械支撑、物质运输、病虫害抵抗及逆境适应的物质基础。

在利用秸秆生产乙醇过程中，生物质酶解效率高的材料可显著降低成本。为了提高水稻的综合经济效益，在水稻遗传改良过程中除了考虑传统的高产、优质等性状外，还应致力于提高倒伏、病虫害、节水抗旱等抗性和提高秸秆降解转化效率。

通过增强水稻自身的抗性和改良细胞壁结构是解决上述问题的最有效途径。

蔗糖合酶在细胞壁合成中起关键作用，为纤维素等多糖合成提供底物，但是其在抗倒伏、抗生物逆境方面的研究较少，所以进一步研究蔗糖合酶的生物功能并将其利用到水稻遗传育种中，具有十分重要的意义。

伸展蛋白作为植物细胞壁的主要结构蛋白之一，影响植物的形态建成及生长发育，在细胞壁形成、细胞壁网络组建、细胞伸长等方面发挥作用。

目前开展的伸展蛋白功能研究，主要在拟南芥中进行，在其它植物中研究较少。

本研究在水稻中超表达蔗糖合酶基因OsSUS3和类伸展蛋白基因OsEXTL，除了研究OsSUS3和OsEXTL在细胞壁合成、修饰、构建方面的功能，还希望揭示其在水稻抗性遗传改良方面的潜能。