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甘露聚糖是细胞壁半纤维素的重要成分之一,而β-甘露聚糖酶(EC3.2.1.78)是分解甘露聚糖的主要酶类。禾本科种子的萌发过程涉及细胞壁的分解,包括胚乳和糊粉层细胞壁的降解。因此,β-甘露聚糖酶可能与禾本科种子的萌发过程相关。本文以水稻(OryzasativaL.)品种“台中65”为材料,对β-甘露聚糖酶在水稻种子萌发过程中的酶活性、蛋白质和基因的时空表达模式进行了研究。得到如下结果:
在酶活性水平上:从时间上说,水稻种子在胚根突破种皮前没有β-甘露聚糖酶活性产生,酶活性产生在胚根突破种皮之后,并且随着吸水时间的延长,酶活性不断增加。从空间上说,β-甘露聚糖酶活性产生的部位主要是糊粉层和盾片。胚乳中虽然检测到酶活性,但实验证明胚乳中的酶活性是由糊粉层和盾片中分泌而来。GA3和ABA对水稻种子萌发有明显的促进和抑制作用,对种子萌发过程中β-甘露聚糖酶活性的表达也有显著的影响。50μMGA3可使β-甘露聚糖酶活性出现的时间提早到吸水36h,且显著提高酶的活性。100μMABA在强烈抑制种子正常萌发的同时也抑制了β-甘露聚糖酶活性的表达。但是50μMGA3可恢复ABA对β-甘露聚糖酶活性的抑制作用。去胚的半粒水稻种子在水中吸涨时检测不到β-甘露聚糖酶的活性,但在水中加入50μMGA3后,可恢复去胚半粒种子产生酶活性的能力。因此,推测“台中65”水稻种子萌发时β-甘露聚糖酶活性的产生可能是由胚中而来的某种物质所诱导,而这种物质很可能就是GA3。
在蛋白质水平上:从时间上说,β-甘露聚糖酶蛋白在胚根突破种皮前的种子中,甚至干种子中就已经存在,并且在整个种子萌发过程中,整粒种子中的蛋白质含量基本上没有发生变化。从空间上说,β-甘露聚糖酶蛋白主要存在于糊粉层和盾片中,而且在种子萌发过程中,糊粉层中酶蛋白含量逐渐增加,而盾片中酶蛋白含量逐渐减少。因此推测,水稻种子萌发过程中β-甘露聚糖酶活性的增加可能与酶蛋白的活化和新的酶蛋白的重新合成有关。研究结果还表明,水稻种子中β-甘露聚糖酶蛋白的分子量大小和番茄果实中该酶分子量的大小相近,约为40kDa。
在基因水平上:GeneBank中推测编码水稻β-甘露聚糖酶的OsMAN1基因的表达开始于水稻种子胚根突破种皮之前,并且在盾片和糊粉层中均有表达。OsMAN2基因在种子胚根突破种皮之后才开始表达,并且只在糊粉层中表达。OsMAN3和OsMAN4基因在盾片和糊粉层中都可以表达,在盾片中OsMAN3和OsMAN4基因的表达开始于种子胚根突破种皮前,但在糊粉层中OsMAN4基因只在胚根突破种皮后表达。GA3可以诱导无胚半粒水稻种子中OsMAN3和OsMAN4基因从无到有的表达,也可提高OsMAN1和OsMAN2基因的表达量。ABA可以抑制OsMAN2基因在糊粉层中的表达以及OsMAN4在糊粉层中的表达。
因此,结合水稻种子萌发过程中β-甘露聚糖酶在活性、蛋白质和基因三个表达水平上的研究结果,推断OsMAN4可能是编码水稻种子萌发过程中β-甘露聚糖酶的主要基因。此外,通过研究半乳甘露聚糖完全降解必需的另外两个酶类即β-甘露糖苷酶和α-半乳糖苷酶活性在水稻种子萌发过程中的变化情况,发现β-甘露糖苷酶和α-半乳糖苷酶活性在胚根突破种皮前的水稻种子中,甚至干种子中就已经存在,而且在种子萌发过程中活性变化不明显,说明β-甘露聚糖酶的活性出现在β-甘露糖苷酶和α-半乳糖苷酶之后。GA3对水稻种子萌发过程中α-半乳糖苷酶活性有促进作用,而对β-甘露糖苷酶的活性影响不明显,而ABA对水稻种子萌发过程中β-甘露糖苷酶和α-半乳糖苷酶活性的影响不明显。