[发明专利]果糖激酶和蔗糖合成酶用于增加细胞壁聚合物的用途

说明书

技术领域与背景技术

植物细胞壁是许多植物产品包括木材的主要成分。木材被用于许多商业目的，例如用于造纸工业的木浆、产生能源，以及建筑。木材是主要由二级木质部的细胞壁构成，二级木质部包括植物微管组织。细胞壁合成是完全依赖于糖类代谢。在维管组织中传输的一些糖类(通常是蔗糖)已被用于木材的生成和发育。

大多数果糖激酶(FRK)是在维管组织中表达的，并影响维管的发育。特别地，随着FRK2(在番茄植物的维管组织中的主要FRK)的表达增加，纤维素和木质素的合成会增强，细胞壁含量会增加。FRK1(它不类似于FRK2)的表达是不会受到抑制，即使果糖浓度的增加进而增加细胞壁的合成。

蔗糖合成酶(SuSy)将蔗糖剪切为UDP-葡萄糖和果糖，它是在维管组织中的主要的蔗糖剪切酶。申请人发现，SuSy和FRK是在维管组织中共表达的。类似于FRK2，SuSy酶活性是由它的终产物果糖反馈抑制的。由SuSy剪切蔗糖所释放的果糖会抑制和下调SuSy活性。结果，分配用于维管和木质部发育的蔗糖的量是受到积聚的果糖的抑制。因此，FRK活性的增强，使果糖磷酸化，降低果糖浓度，将会增强SuSy活性，并分配蔗糖用于维管和木质部的发育。

维管组织的两个主要成分是木质部和韧皮部。木质部将水和矿物质从根部传输到嫩芽，而韧皮部将糖的位置从来源(叶片)转到沉下(非光合)组织。在许多植物中，被传输的糖主要是蔗糖。一些被传输的蔗糖是在维管组织中被剪切，以支持维管发育。

细胞壁主要包括：简单的糖单体的聚合物，由单糖以多种线性或分支的聚合物链接形成的，称为多糖。最丰富的简单糖单体是葡萄糖，而最丰富的聚合物是纤维素。纤维素是线性、无分支的聚合物，由β-1,4链葡萄糖单体构成。在植物细胞壁中发现的其他多糖包括半纤维素，它包括一组由β-1,4链葡萄糖单体组成的多糖，具有侧链，该侧链可包括除了葡萄糖以外的糖，例如木糖、岩藻糖、阿拉伯糖、半乳糖。半纤维素是多糖的非均匀混合物，它的成分对于不同的植物是变化的。半纤维素是运行性地被定义的，以致可以碱将聚合物片段从细胞壁中分离。

除了纤维素、胶质和半纤维素，次生细胞壁还可包括相当数量的木质素。木质素是以一种不溶性聚合物，它主要是负责产生植物茎部的硬度。特别地，木质素用作围绕一些植物细胞壁的多糖成分的基质。总的来说，木质素含量越高，植物越硬。例如，树种合成大量的木质素，木质素含量占木材的干重的20％至30％。草的木质素含量是干重的2-8％，在生长季节会变动。除了提供硬度，木质素通过使细胞壁疏水性和水不透性而协助在植物中的水输送。

在细胞成长和膨胀停止后，次生细胞壁形成。不像初生细胞壁，次生细胞壁能采用高度特异化的结构和成分。例如，木质部细胞(例如在木材上发现的那些细胞)具有由木质素强化的加厚的次级细胞。

蔗糖(一种二糖)可由蔗糖合成酶(SuSy)(可能是在维管系统中的主要的蔗糖剪切酶)剪切为UDP-葡萄糖和果糖，或者可由插入酶插入葡萄糖和果糖((Koch2004)。因此，果糖注定是会成为一种通过剪切蔗糖产生的最丰富的单糖。

虽然UDP-葡萄糖是立即可用于纤维素合成，游离的果糖必须首先由六聚糖激酶(HXK)或果糖激酶(FRK)来磷酸化，用于进一步的代谢。在缺乏HXK或FRK时，积聚的果糖会导致SuSy活性的反馈抑制，降低蔗糖剪切(Schaffer与Petreikov1997a)。HXK和FRK是由它们的底物特异性和亲和性来区分的(Granot2007)。HXK可使葡萄糖和果糖磷酸化，但它与果糖的亲和性是比它与葡萄糖的亲和性低两个级别，也比FRK与果糖的亲和性低两个级别。因此，果糖倾向于首先由FRK磷酸化(Granot2007)。

FRK和SuSy存在于已检验的所有植物中，它们可能是在植物中必须有的。它们存在于多年生植物和一年生植物、裸子植物和被子植物、双子叶植物和单子叶植物，树木、灌木和草，也存在于已研究的所有农作物中。例如，它们存在于山杨、甜菜、棉花、番茄、马铃薯、黄豆、大麦、鳄梨、菠菜、百合、山茶、豌豆、玉米、水稻、瓜、拟南芥中。论文Goren et al.2011中披露，蔗糖合成酶存在于多种物种中(见Goren et al.2011中的图2、表2以及附录图1)。