1、基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-28） 、湖北省农业科技创新中心资助项目（2016-620-000-001-029） 、湖北省农业科学院青年科学基金项目（2017NKYJJ02） 、湖北省农业科学院果树茶叶研究所青年科学基金项目（GCJJ201602）作者简介：刘 政（1986.05-） ，男，湖北武汉人，助理研究员，博士，研究方向为果树栽培与分子生物学，电话：15802782989，E-mail：通讯作者秦仲麒，邮政编码：430064，电话：027-87770251 ；E-mail：梨树山梨醇代谢及其调控因子研究进展刘 政 1，安莉园 1,2，林世华 1,2，秦
2、仲麒 1，伍 涛 1，李先明 1，涂俊凡 1，杨夫臣 1，朱红艳 1，杨 立 1(1 湖北省农业科学院果树茶叶研究所/湖北省农业科技创新中心果树茶叶研究分中心，武汉430064； 2 武汉大学生命科学学院, 武汉 430072)摘要：山梨醇是梨树等蔷薇科植物最主要的光合作用产物和碳水化合物转运形态。山梨醇代谢是梨树最重要的糖类生化过程之一，其不仅影响了果实内在品质的形成，而且也为营养物质合成提供了基础原料。本文综述了山梨醇合成、转运以及分解过程，重点介绍山梨醇代谢过程中主要相关酶（6-磷酸山梨醇脱氢酶和山梨醇脱氢酶）以及转运蛋白基因 SOT在梨树中的研究进展,并对今后的研究工作进行了展望,以期
3、为进一步深入研究山梨醇代谢机制和提高梨果品质提供参考。关键词：梨树；山梨醇代谢；6-磷酸山梨醇脱氢酶；转运蛋白；山梨醇脱氢酶中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：Research Advances in Sorbitol Metabolism and Its Regulatory Factors of PearLIU Zheng1，AN Li-yuan 1, 2， LIN Shi-hua1, 2， QIN Zhong-qi1, WU Tao1, LI Xian-ming1,TU Jun-fan1, YANG Fu-chen1, ZHU Hong-yan1, YANG Li1(1 Instit
4、ute of Fruit and Tea, Hubei Academy of Agricultural Science/ Fruit and Tea Research Branch, Hubei Innovation Center of Agricultural Science and Technology, Wuhan 430064, China;2 College of Life Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)Abstract: Sorbitol is the primary photosynthetic product an
5、d major translocated carbohydrate in the Rosacese family, including pear plants. Sorbitol metabolism is one of the most important sugar biochemical processes that affect internal fruit qualities and provide substrates for the biosynthesis of nutrient substances. This review addressed the biosynthesi
6、s, transportation and deactivation processes of sorbitol, and highlighted research advances in some related enzymes, i.e. S6PDH (sorbitol-6-phosphate dehydrogenase) and SDH (sorbitol dehydrogenase), and sorbitol transport gene SOT in pear. In addition, the future research direction was prospected as
7、 well. This article will help to further study the underlying mechanism of sorbitol metabolism and provide reference for improving fruit quality in pear.Key words: pear; sorbitol metabolism; sorbitol-6-phosphate dehydrogenase; sorbitol transport; sorbitol dehydrogenase糖的组分和含量不仅是衡量果实品质的重要指标，也是合成色素、氨基
8、酸、维生素、胡萝卜素和芳香物质等营养物质的基础原料，并在信号转导和为果实膨大提供渗透推动力等方面起到重要作用 1,2,3。梨的糖代谢主要形式包括山梨醇代谢、蔗糖代谢以及己糖代谢。山梨醇是梨属（Pyrus）等蔷薇科木本果树最主要的光合作用产物，其经过韧皮部运输到果实的薄壁细胞中储存起来，同时可以与其它糖类组分相互转化，含量变化也极大的影响到了其它两种糖代谢过程 4-7。山梨醇代谢过程中相关酶与光合作用、源库强度以及同化物积累与分配密切相关，进而起到调控果实品质的作用 8。本文着重介绍了梨树的山梨醇代谢研究进展，旨在为提高果实品质提供理论依据。1. 山梨醇代谢及相关酶类1.1 山梨醇合成过程山梨醇
9、是通过光合作用合成的一种六碳糖醇，也是蔷薇科植物叶片 60-90%的碳输出形式 9,10。二氧化碳和水经过卡尔文循环（Calvin cycle）生成 3-磷酸甘油醛（glyceraldehyde 3-phosphate, G3P） ，此后经多步酶催化反应形成 6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate, G6P）, G6P 在 6-磷酸山梨醇脱氢酶（ sorbitol-6-phosphate dehydrogenase, S6PDH；EC 1.1.1.200）催化下生成 6-磷酸山梨醇（sorbitol-6-phosphate, S6P） ，而后经 6-磷酸山梨醇磷酸酯酶（sorb
10、itol-6-phosphate phosphatase ，S6PPP ；EC 3.1.3.50）催化生成山梨醇（图 1） 。梨树的糖组分主要包括山梨醇、果糖、葡萄糖和蔗糖。山梨醇在梨幼果期的叶片中,山梨醇中含量达到最高，并迅速下降后保持相对稳定的含量水平 ；适量的施氮和施钾有助于提高叶中山梨醇的含量，而高温处理则抑制山梨醇的合成；在果实中山梨醇的含量与叶中的变化模式相反，随着果实发育过程含量迅速升高，然后保持相对稳定的水平，但其含量低于果糖 1,7,11。S6PDH 是山梨醇合成途径中极为关键的合成酶，因此在蔷薇科植物中被广泛研究 12,13。该酶主要分布在叶绿体和胞液中，能催化 G6P 和
11、 S6P 相互转化，但是 S6PDH 对 G6P 和NADPH 的亲和力高于 S6P 和 NADP+，在中性时 G6P 还原方向能力比相反方向具有更大的活性，因而 S6PDH 更有利于向山梨醇积累的方向起催化作用 6。S6PDH 在幼果期（盛花后 40 天）酶活性最高，随着果实的发育过程含量下降，之后在果实成熟时期（盛花后 150天）再次升高；然而在果实中该酶的活性大约只是其在叶中的 1/3-1/514。Kim 等 15在梨中克隆出了 6-磷酸山梨醇脱氢酶基因 PyS6PDH，预测其编码 310 个氨基酸，分子量大小为34.9kDa；其在盛花后 30 天的幼叶中高水平表达，之后随着叶片的衰老呈
12、现波动式的下调变化，该基因表达与山梨醇含量相一致的变化模式暗示其具有促进山梨醇合成的重要作用。1.2山梨醇转运过程叶片中经过光合作用合成的碳代谢产物是果实糖分积累的主要来源，山梨醇通过在韧皮部装载、长距离运输和卸载实现从源（叶片）到库器官（花、果实等）的转移 16,17。有研究认为糖载体的跨膜运输能力是决定果实含糖量高低的重要因素之一 18。目前关于梨树的山梨醇转运机制研究还不够深入，主要集中在转运蛋白基因（SOT）的克隆及其表达分析19。研究发现 SOT 基因的表达具有组织和时期的特异性，在果实成熟过程中 (7 月中旬到8 月初)，PpSOT2 在叶片中上调表达，而 PpSOT1 在果肉中下
13、调表达；在高温胁迫下山梨醇含量下降可能对 PpSOT2 基因表达起抑制作用 1。在嫩枝中 PpSOT2 基因从 12 月下旬开始表达水平上调，这与山梨醇在木质部汁液中快速积累的变化模式相一致，推测 PpSOT2很可能调节了在梨嫩枝中的山梨醇装载，从而促进了其含量增加 20。参考已经公布的白梨基因组，戴美松等 21应用 RNA-seq 技术在砂梨果肉中鉴别出了 22 个有表达的山梨醇转运蛋白基因家族成员，分析显示 PpySOT2、PpySOT8 、PpySOT10/28 和 PpySOT33 表达的变化趋势与果实山梨醇积累动态呈极显著相关，推测它们在梨果实发育期间对山梨醇转运和积累具有重要的作用
14、。以上研究结果也暗示了梨 SOT 基因的表达水平与山梨醇含量具有相互促进的作用。1.3山梨醇分解过程山梨醇在果实中可分解成葡萄糖和果糖，关键的转化酶为山梨醇脱氢酶（sorbitol dehydrogenase, SDH; EC 1.1.1.14）和山梨醇氧化酶（sorbitol oxidase, SOX） 22。SDH 包括NAD+型和 NADP+型，NAD +-SDH 催化山梨醇和果糖之间相互转化，伴随着它的活性增强，果实糖分逐渐积累，并促进果实发育，该酶也被认为在调控库强过程中起到了关键作用 23。Oura 等 24从日本梨果实中纯化出了一个 NAD+-SDH 酶，原酶的分子量是 160k
15、Da，而SDS-PAGE 分析显示亚基分子量是 40kDa，说明该 NAD+-SDH 是一个同源四聚体；其对果糖的 Km 值（423933.5）比对山梨醇（96.48.60）高很多，表明 NAD+-SDH 更利于向果糖形成的方向起催化作用。Kim 等 15克隆出了一个 NAD+-SDH 基因全长，其编码 371 个氨基酸，分子量为 40.3kDa，与苹果和枇杷同源基因具有高度的相似性，伴随着果实发育，该基因在叶中的表达水平逐渐升高。Ito 等 25分离出了 5 个 NAD+-SDH 基因，并发现遮荫和弯曲枝条处理有助于增强侧芽 NAD+-SDH 酶活性和 NAD+-SDH1（PpySDH1）基
16、因的表达。在果实发育过程中，NAD +-SDH3 基因在果实和叶中均呈现出“高-低-高-低”的表达模式 26。也有研究发现 NAD+-SDH 酶活与花芽的生长速率正相关，推测更高活性的 SDH 能够增强山梨醇的输入和利用，从而促进花芽生长 20。提高梨果可形物含量是促进果实大小的重要手段，研究发现在 GA 处理条件下能够明显提高果肉 NAD+-SDH 酶活，从而促进山梨醇浓度下降和果糖浓度升高，因而能够对增强库活性具有起到促进作用 27。 利用山梨醇、葡萄糖、蔗糖和甘露醇处理梨果肉组织，能够明显提高 NAD+-SDH 的酶活以及 mRNA 和蛋白水平；然而果糖处理只能提高其转录水平，对蛋白水平
17、和酶活没有明显效应，表明果糖对 NAD+-SDH 具有转录后调控作用 23。山梨醇脱氢酶 NADP+-SDH 能够催化山梨醇和葡萄糖之间相互转化，但其对以山梨醇为底物的最大反应速度大于葡萄糖为底物时的反应速度，因此该酶更有利于山梨醇向葡萄糖的方向转化 6。Ito 等 28发现相比未处理的枝条，向水平方向拉枝 60提高了 NAD+-SDH和 NADP+-SDH 在侧花芽中活性；山梨醇含量则呈现出先减少后增加的变化趋势，表明拉枝能够促进花芽山梨醇的输入，刺激其分化。高温条件下，在成熟叶的 NAD+-SDH 和NADP+-SDH 酶活升高，导致了山梨醇积累的减少 1。山梨醇氧化酶 SOX 催化山梨醇
18、与氧气不可逆反应产生葡萄糖，是果实发育初期糖代谢的关键酶 6。然而梨的 SOX 酶活很低，甚至很难检测，因此 SDH 酶被推测可能在梨树山梨醇分解过程中起着更为重要的作用20,27,28。2. 展望山梨醇作为蔷薇科植物主要的光合产物、转运形式以及储藏物质，其代谢过程对果实品质起到重要的调控作用。目前梨的山梨醇代谢研究还处于起步阶段，主要是对关键酶进行了克隆、表达分析以及酶活检测，但其机理仍尚未明晰。山梨醇转运过程连接着源端碳物质积累和库端各糖组分相互转化，在同化物分配和积累中起到重要的调控作用，影响各库器官生理变化，因此对其功能和作用机制研究至关重要。山梨醇作为一种糖醇，不仅为许多营养物质提供
19、合成底物，也作为糖信号诱导相关基因激活，响应一些逆境反应和促进果实发育。从山梨醇合成到果实糖分形成与积累是一个复杂的调控过程，随着细胞学以及分子生物技术的发展，可以从多层面多角度对山梨醇代谢进行全面系统研究，解析山梨醇代谢在蔷薇科植物中发挥的独特作用，为最终果实品质提升提供科学依据。参考文献：1 LIU D F, NI J B, WU R Y, et al. High temperature alters sorbitol metabolism in Pyrus pyrifolia leaves and fruit flesh during late stages of fruit enlar
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36、6-磷酸山梨醇（sorbitol-6-phosphate, S6P） ，而后经 6-磷酸山梨醇磷酸酯酶（sorbitol-6-phosphate phosphatase，S6PPP ；EC 3.1.3.50）催化生成山梨醇。山梨醇通过在韧皮部装载、长距离运输和卸载实现从源（叶片）到库器官（果实）的转移。在转移过程中需要糖载体转运蛋白（SOT）实现跨膜运输。在果实（Fruit）中，山梨醇通过 NADP+型山梨醇脱氢酶（sorbitol dehydrogenase, NADP+-SDH; EC 1.1.1.14）和山梨醇氧化酶（sorbitol oxidase, SOX）转化成葡萄糖（Glucose） ，也可以通过 NAD+型山梨醇脱氢酶（sorbitol dehydrogenase, NAD+-SDH; EC 1.1.1.14）转化成果糖（Fructose） 。葡萄糖和果糖进一步转化蔗糖（Sucrose）或淀粉（Starch ）等其他糖类。
