葡萄糖醛酸木聚糖生物合成研究進展

吳藹民，趙先海，解巧麗，解新明

(華南農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州510642)

陸生植物千姿百態(tài)，但其構(gòu)成基本單元——細胞壁的基本成分卻相對固定，為植物生長提供了支撐，使一些木本植物有可能長成參天大樹．植物細胞壁不是靜止的，它也參與植物的代謝活動，比如物質(zhì)交換和信號傳導(dǎo)，并且植物初生細胞壁具有可延展性，可隨著植物的生長而擴張．在植物細胞停止生長后，次生細胞壁開始形成，這部分結(jié)構(gòu)賦予植物更強的支撐力．而植物通過光合作用產(chǎn)生的核苷糖類及其他代謝產(chǎn)物，最后在特定的細胞壁合成酶(如纖維素合成酶CESA)作用下，主要沉積在次生細胞壁．

植物次生細胞壁主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這3 大組分是地球上最豐富的可再生資源［1］．纖維素是細胞壁的第1 大組分，由均一的D-葡萄糖以β-(1→4)糖苷鍵連接而成［2］．木質(zhì)素主要由4-羥基苯丙素類(4-hydroxyphenylpropanoids)氧化生成，是一種不均一的大分子聚合物［3］，在高等植物中廣泛存在．半纖維素是一類復(fù)合聚糖的總稱(圖1)，主要由幾種不同類型的五碳糖［β-D-木糖(Xylose，Xyl)、α-L-阿拉伯糖(Arabinose，Ara)］、六碳糖(β-D-葡 萄 糖(Glucose，Glu)、β-D-甘 露 糖(Mannose，Man)、α-D-半乳糖(Galactose，Gal))和糖醛酸(α-D-葡萄糖醛酸、α-D-4-o-甲基-葡萄糖醛酸和α-D-半乳糖醛酸)單體組成，其他糖類如α-L-鼠李糖(Rhamnose，Rha)和α-L-巖藻糖(Fucose，F(xiàn)uc)等也少量存在于半纖維素中．植物半纖維素結(jié)構(gòu)上主要有木聚糖(Xylan)、木葡聚糖(Xyloglucan)、甘露聚糖(Mannan)和β-(1→3，1→4)-葡聚糖(Glucan)，其中β-(1→3，1→4)-葡聚糖為β-(1→3，1→4)-糖苷鍵主鏈，多數(shù)只存在于草類單子葉植物，其他類型的半纖維素主要為β-(1→4)糖苷鍵主鏈，存在于所有陸生植物中［4］．木聚糖是雙子葉植物和大多數(shù)單子葉植物次生壁的主要半纖維素成分，含量與木質(zhì)素相當，約占20%～30%．木聚糖通過氫鍵與纖維素交聯(lián)纏繞在一起，又通過共價鍵與木質(zhì)素交聯(lián)，三者形成植物細胞壁的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．完全喪失木聚糖的植物將基本失去次生生長，植物矮小，幾乎不抽薹［5-6］．而適當下調(diào)木聚糖合成中關(guān)鍵的木糖轉(zhuǎn)移酶活性，不但植物生長正常，生物量不受影響，而且植物的纖維素含量相對提高，木聚糖和木質(zhì)素含量相對下降［7-10］，這種材料對于造紙工業(yè)和生物質(zhì)燃料生產(chǎn)都是非常有利的．為了更加充分地利用木聚糖，必須探明木聚糖的合成機理，以便通過關(guān)鍵基因調(diào)控的方式來人為修飾木聚糖的結(jié)構(gòu)和它在木質(zhì)纖維素中的比例．

木聚糖的研究起步較早，但以前的研究主要集中于對不同植物測定木糖轉(zhuǎn)移酶活性和木聚糖的成分分析上［11］，而在分子水平上揭示木聚糖的合成機理則主要發(fā)生于最近這10年．其中，報道于2005年［12］的Fragile fiber 8(FRA8)基因第1 次從分子水平上揭示了木聚糖的生物合成．隨著生物質(zhì)能源的興起，木聚糖的研究更是取得了突破性進展，成為植物細胞壁研究的一個熱點．本文綜述了近10年來葡萄糖醛酸木聚糖合成分子機理上的研究進展．

圖1 半纖維素結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic illustrations of hemicelluloses

1 木聚糖的結(jié)構(gòu)

木聚糖主鏈由木糖以β-(1→4)糖苷鍵連接而成，木糖殘基o-2 或o-3 位置上常有乙?；?，在雙子葉植物和裸子植物的木聚糖主鏈末端還有1 個還原四糖結(jié)構(gòu):β-D-木糖-(1→3)-α-L-鼠李糖-(1→2)-α-D-半乳糖醛酸-(1→4)-D-木糖［13］．根據(jù)側(cè)鏈的不同，木聚糖可以分為葡萄糖醛酸木聚糖(Glucuronoxylan，GX)、4-o-甲基葡萄糖醛酸木聚糖(4-o-methylglucuronoxylan，MGX)、阿拉伯糖木聚糖(Arabinoxylan，AX)和葡萄糖醛酸阿拉伯糖木聚糖(Glucuronoarabinoxylan，GAX)(圖1)．(4-o-甲基)葡萄糖醛酸通過α-(1→2)糖苷鍵與主鏈相連，形成GX 或MGX，是雙子葉植物次生壁最主要的半纖維素成分，可占20%～30%［4］，主鏈上55%的木糖殘基可在o-2(25%)或o-3(30%)位置上被乙酰化［14］，為木聚糖最常見的修飾形式．通常闊葉木中(4-o-甲基)葡萄糖醛酸基團與木糖基團的物質(zhì)的量比為1 ∶4～1 ∶16，平均值為1∶10［15-16］，在擬南芥Arabidopsis thaliana 中，每8 個木糖基團便會連有1 個(4-o-甲基)葡萄糖醛酸［17］．GX 和MGX 在雙子葉植物初生壁中也存在(約占5%)［18］．Reis 等［19］認為酸性側(cè)鏈基團有助于纖維素微纖絲的螺旋狀排列．草本單子葉植物木聚糖主鏈也以β-(1→4)-D-木糖為主鏈，側(cè)鏈由α-(1→3)或/和α-(1→2)呋喃阿拉伯糖基(Arabinofuranosyl)和α-(1→4)鍵連接的(4-o-甲基)葡萄糖醛酸組成，稱之為(4-o-甲基)葡萄糖醛酸阿拉伯糖基木聚糖(Glucuronoarabinoxylan，GAX)．另外，草本植物木聚糖沒有還原末端．AX 在草本單子葉植物的胚乳細胞壁中大量存在［20］，GAX 在草本單子葉植物的初生壁中可占20%～40%，在次生壁中可占40%～50%［4］．本文將主要集中在目前研究最透徹的GX 上介紹木聚糖的合成．

2 葡萄糖醛酸木聚糖合成相關(guān)基因

葡萄糖醛酸木聚糖在高爾基體合成，然后經(jīng)膜泡運輸轉(zhuǎn)移到細胞壁上．利用正向遺傳學和反向遺傳學，在模式植物擬南芥中已發(fā)現(xiàn)許多木聚糖合成基因．雙子葉植物木聚糖合成涉及多種糖基轉(zhuǎn)移酶(Glycosyltransferase，GT)基因，其存在于GT43 家族、GT47 家族和GT8 家族等［21］，這些GTs 可能以蛋白復(fù)合體的形式催化木聚糖的合成［22］．根據(jù)這些基因在木聚糖合成時的功能，可以分為3 組．

2．1 葡萄糖醛酸木聚糖主鏈合成相關(guān)基因

此類基因主要功能涉及木聚糖主鏈延伸，催化木聚糖主鏈β-(1→4)糖苷鍵的形成．從楊樹和擬南芥里提取的微囊體具有高β-(1→4)木糖轉(zhuǎn)移酶活性，可將最多7 個木糖添加到外源的寡聚木糖上［23-24］．在另外一些研究中，如小麥幼苗和大麥的胚乳，微囊體的β-(1→4)木糖轉(zhuǎn)移酶可將5 個木糖添加到外源的寡聚木糖上［11，25］．雖然有報道類纖維素合成酶(Cellulose synthase-like，Csl)基因參與木葡聚糖［26］、葡甘 露聚糖［27-28］和β-(1 →3，1 →4)-葡聚糖［29］的合成，但是到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)類纖維素合成酶基因成員與木聚糖主鏈合成有關(guān)［20］．

與木聚糖主鏈合成有關(guān)的基因包括IRX9、IRX9L、IRX14、IRX14L(GT43 家族)、IRX10 和IRX10L(GT47 家族)［5，13，24，30-32］．它們被命名為IRX(Irregular xylem)是由于它們的突變體表現(xiàn)為不正常的木質(zhì)部，葡萄糖醛酸木聚糖含量和葡萄糖醛酸木聚糖主鏈長度都受到了影響，irx9、irx14 突變體和irx10 irx10L 雙突變體擬南芥微囊體的β-(1→4)木糖轉(zhuǎn)移酶活性減小［17，33］．這6 個基因可再分為3 組:IRX9 和IRX9L，IRX10 和IRX10L，IRX14 和IRX14L．每組內(nèi)的2 個基因為同源基因，且前者為主效基因，后者為次效基因［5-6，34］．在每組基因中，除IRX9 外，其他單基因突變體表型不明顯，但雙突變體則表現(xiàn)為異常矮小、次生生長幾乎完全喪失、木糖含量減少、缺失木聚糖等．主效基因的純合突變體和次效基因的雜合體［如irx10 irx10L(+ /－)］表現(xiàn)為介于雙突變體和單突變體之間的中間狀態(tài)表型，有明顯的不規(guī)則木質(zhì)部，維管束導(dǎo)管坍塌，花不能正常授粉，基本不能收到種子．而次效基因的純合突變體和主效基因的雜合體［如irx10L irx10(+ /－)］則沒有表型變化，植物生長正常［5-6，33］．暗示了木聚糖的合成存在著劑量效應(yīng)(Dosage dependent)．irx9、irx10 和irx14 突變體只能被相應(yīng)的同源基因IRX9L、IRX10L和IRX14L 所互補，表明這3 類基因間在功能上是非冗余的［5］．目前還不清楚是否FRA8 也參與了木聚糖主鏈的合成，因為FRA8/F8H 也是成對出現(xiàn)，fra8 fra8H 雙突變體生長矮小，木聚糖長度變短，但是FRA8 基因本身可能參與木聚糖還原末端合成．因而，F(xiàn)RA8 基因的功能還有待進一步研究確定［5］．這些基因相似的突變體表型和功能的合理解釋是這些基因之間可能像纖維素合成酶一樣形成復(fù)合體．然而，irx14 irx14L 和irx10 irx10L 雙突變體表現(xiàn)出比irx9 irx9L 和fra8 fra8h 更嚴重的生長缺陷，暗示可能有更復(fù)雜的合成機理，如涉及木聚糖合成的起始．

IRX9、IRX9L、IRX14 和IRX14L 同屬于GT43 家族，在楊樹中此家族有7 個基因，其中PtrGT43A、PtrGT43B、PtrGT43E、PtrGT43F 和PtrGT43G 為IRX9的同源基因，PtrGT43C 和PtrGT43D 為IRX14 的同源基因．Ratke 等［35］對楊樹中的這些基因進行表達分析發(fā)現(xiàn)，它們具有明顯的差異表達，因此提出在楊樹中可能有2 種木聚糖合成酶復(fù)合體形式，次生壁的木聚糖合成酶復(fù)合體活性要高于初生壁木聚糖合成酶復(fù)合體活性．

Jensen 等［36］通過在畢赤酵母中單獨異源表達擬南芥、小立碗蘚Physcomitrella patens 和洋車前草Plantago ovata 的IRX10 蛋白，在體外檢測到了木糖轉(zhuǎn)移酶活性，并且來自小立碗蘚的IRX10 酶活性最高，其次是洋車前草，擬南芥的IRX10 蛋白檢測到了相對較弱的活性，表明IRX10 作為木糖轉(zhuǎn)移酶的功能具有保守性，在擬南芥中IRX10 的功能可能還需要與其他蛋白形成復(fù)合體，這可能是體外表達IRX10 活性比較低的原因．與此同時，Urbanowicz等［37］通過在人胚胎腎細胞系293 中表達擬南擬的IRX10L 蛋白和ESK1/TBL29 蛋白，分別證明了這2個蛋白具有木糖轉(zhuǎn)移酶和乙?；D(zhuǎn)移酶活性，但是IRX10L 的活性比在Jensen 等［36］試驗中高很多，這可能是2 個同源蛋白本身之間的差異(雖然二者之間具有86.65%的相似性)，也可能是由于利用了不同的異源表達系統(tǒng)．

木聚糖的合成可能需要多個蛋白形成復(fù)合體發(fā)揮作用，這也可能是這些糖基轉(zhuǎn)移酶在異源表達時沒有活性的原因［4］．擬南芥的IRX9 和IRX14 基因或楊樹的PtGT43B 和PtGT43C 基因在煙草BY2 細胞系中共表達可以檢測到XylT 活性，但是單個基因的表達卻不能檢測到XylT 活性［23，38］．這種現(xiàn)象表示IRX9 和IRX14 可能形成蛋白復(fù)合體共同行使功能．Zeng 等［39］從小麥中通過免疫共沉淀分離得到了包含GT43、GT47 和GT75 成員的蛋白復(fù)合體，這個復(fù)合體可合成葡萄糖醛酸阿拉伯糖木聚糖，這是木聚糖合成需要蛋白復(fù)合體的直接證據(jù)．

2．2 葡萄糖醛酸木聚糖還原四糖末端合成相關(guān)基因

在雙子葉植物和裸子植物的木聚糖主鏈末端有1 個還原四糖結(jié)構(gòu):β-D-木糖-(1 →3)-α-L-鼠李糖-(1→2)-α-D-半乳糖醛酸-(1→4)-D-木糖，在擬南芥中，F(xiàn)RA8、F8H(GT 47 家族)、IRX8 和PARVUS(GT8家族)被認為與這個四糖結(jié)構(gòu)的合成有關(guān)．這些基因的突變體多數(shù)生長矮小，木質(zhì)部不規(guī)則，含有較少的木聚糖，缺乏還原四糖末端，但木聚糖主鏈延伸能力沒有受到影響，到目前為止，對四糖末端的分析還停留于突變體的生化分析，具體的酶活性還沒有檢測到［12-13，17，40-41］．在楊樹中已發(fā)現(xiàn)FRA8 和IRX8 基因的同源基因，分別為PoGT47C 和PoGT8D，PARVUS 的同源基因為PoGT8E、PoGT8F、PdGATL1.1 和PdGATL1.2［42-45］．

IRX8 和PARVUS 同屬于GT8 家族，可利用α-GalA 形 成α-GalA-(1-4)-Xyl．與其他糖基轉(zhuǎn)移酶FRA8、IRX8、IRX9、IRX10 和IRX14 定位于高爾基體不同，AtPARVUS 和它在楊樹中的同源基因PoGT8E/F 表達產(chǎn)物主要定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)［45-46］，因此，Lee 等［45］認為，木聚糖四糖末端的合成起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，PARVUS 和PoGT8E/F 可催化木糖連接到一個未知的受體上，然后IRX8 和FRA8 在高爾基體上繼續(xù)合成四糖末端．IRX8(也稱為GAUT12)是半乳糖醛酸轉(zhuǎn)移酶GAUT1 的同源基因，GT8 家族可特異地利用α-型單糖形成α-型糖苷鍵，因此認為IRX8 可能合成GalAXyl［47］．irx8 突變體生長矮小，木聚糖和均質(zhì)聚半乳糖醛酸含量減少［48］．

GT47 家族具有一種反轉(zhuǎn)機制，可以α-型單糖/β-型單糖為底物，形成β-糖苷鍵/α-糖苷鍵產(chǎn)物［12］，fra8 突變體最明顯的表現(xiàn)為還原四糖缺失，因此，Pena 等［13］認為，F(xiàn)ra8 的功能主要是在還原四糖末端形成時，利用UDP-α-Xyl 形成β-糖苷鍵連接的β-Xyl-(1-3)-α-Rha 或利用UDP-β-Rha 形成α-糖苷鍵連接的α-Rha-α-GlaA．但是這些分析均是建立在fra8 單突變體的基礎(chǔ)上的，因為irx8、parvus 和fra8 單突變體植物生長受影響程度相似，共同參與還原四糖末端合成，這就很難解釋fra8/fra8H 雙突變體的異常矮?。?］．

2．3 葡萄糖醛酸木聚糖側(cè)鏈合成相關(guān)基因

擬南芥木聚糖主鏈上12%的木糖殘基有(4-o-甲基)葡萄糖醛酸側(cè)鏈，即每8 個木糖殘基便會連接有1 個(4-o-甲基)葡萄糖醛酸側(cè)鏈［17］，在擬南芥中有5 個葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶(Glucuronic acid substitution of xylan，GUX，GT8 家族)相關(guān)基因，包括GUX1、GUX2、GUX3 和GUX4 和GUX5，可催化葡萄糖醛酸連接到木聚糖主鏈上去［10，49-51］．gux1 和gux2 單突變體的葡萄糖醛酸取代度分別降低了大約70%和20%，但是雙突變體植株的木聚糖基本檢測不到葡萄糖醛酸側(cè)鏈，并且gux1/gux2 雙突變體沒有葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶活性，gux1/gux2 雙突變體的木聚糖主鏈沒有受到影響，表示木聚糖主鏈的合成與側(cè)鏈基團的合成不是同步進行的，雖然雙突變體植株主莖的應(yīng)力略微變?nèi)?，但是木質(zhì)部導(dǎo)管沒有變形，并且植株大小也很正常，葡萄糖醛酸側(cè)鏈消失對雙突變體最大的影響是木聚糖容易抽提了，并且易于分解［10］．Rennie 等［51］通過在煙草瞬時表達擬南芥GUX 蛋白，在煙草微囊體中測定到葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶活性，結(jié)果表明只有GUX1、GUX2 和GUX4 具有葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶活性，而GUX3 和GUX5 是否與木聚糖合成有關(guān)還不能確定．對這2 個蛋白的結(jié)構(gòu)進行預(yù)測發(fā)現(xiàn)，與其他3 個蛋白相比，它們的活性位點和表面結(jié)構(gòu)都不同，但考慮到這5 個蛋白在進化上的保守性，GUX3 和GUX5 可能作為GUX 的非催化亞基起作用［51］，這也可以解釋為何GUX3 在煙草BY2 細胞中進行表達時，GlcAT 活性增加了［50］．但是，在擬南芥培養(yǎng)細胞的高爾基體蛋白組分析表明存在GUX3 蛋白［52-53］，由于未分化的培養(yǎng)細胞初生壁占主要成分，因此，GUX3 也可能參與初生壁某些成分的合成．Lee等［50］對5 個GUX 基因的表達模式進行了分析，發(fā)現(xiàn)GUX1 和GUX2 主要在莖部表達，GUX3 在根、莖、葉和花部都有表達，并且莖部只在木質(zhì)部有表達，GUX4 主要在根部表達，GUX5 主要在葉和花部表達．在煙草BY2 細胞中對在莖部有表達的GUX1、GUX2和GUX3 也進行了表達，分別轉(zhuǎn)3 個基因的細胞系都表達出GlcAT 活性，并且同時表達GUX1 和GUX2的細胞系沒有表現(xiàn)出更高活性．GUX1、GUX2 和GUX3 這3 個基因同時缺失突變體，完全檢測不到GlcA，并且植株表現(xiàn)出矮小，木質(zhì)部細胞變形，細胞壁變薄，細胞壁密度增大，但是木聚糖含量沒有受到影響．Bromley 等［49］認為GUX1 修飾木聚糖時會均勻地間隔6、8、10 或更多偶數(shù)個木糖殘基，這種修飾為主要模式，而GUX2 修飾木聚糖時則有更小的間隔，會在7 個或更少的木糖殘基間隔下行使修飾作用，這種修飾所占比例要少一些，是次要模式，這2 種修飾方式共存于同一木聚糖分子，可能影響到與纖維素或木質(zhì)素的交聯(lián)．

葡萄糖醛酸甲基轉(zhuǎn)移酶(Glucuronoxylan methyltransferase，GXM)含有1 個Domain of unknown function 579(DUF579)結(jié)構(gòu)域，是1 種陽離子依賴型的甲基轉(zhuǎn)移酶，特異地將甲基從S-腺苷甲硫氨酸轉(zhuǎn)移到木糖側(cè)鏈的葡萄糖醛酸o-4 位置［54-55］．gxm 突變體葡萄糖醛酸的甲基化程度減小，但植株的生長沒有受到影響，gxmt1 突變體的木聚糖變得更容易酶解糖化，這說明由于木聚糖甲基化程度的減小，gxmt1 突變體細胞壁中木聚糖與其他成分間的交聯(lián)改變了［56］．GXM1、GXM2 和GXM3 在大腸埃希菌Escherichia coli 異源表達時具有甲基轉(zhuǎn)移酶活性，但是得到的重組蛋白只能甲基化在木聚糖上的葡萄糖醛酸，而不能甲基化葡萄糖醛酸單糖，這說明在木聚糖合成時，葡萄糖醛酸的甲基化是在連接到木聚糖以后發(fā)生的，或者說GXM 基因可以特異性的甲基化木聚糖上的葡萄糖醛酸［54-55］．

IRX15 和IRX15L 也含有DUF579 結(jié)構(gòu)域，irx15 irx15L 雙突變體木質(zhì)部導(dǎo)管變形或崩塌，并且木聚糖聚合度也減?。?6-57］，但是IRX15 和IRX15L 的具體生化功能還不得而知，雖然它們也含有DUF579 結(jié)構(gòu)域，但irx15 irx15L 雙突變體木聚糖的甲基化程度升高了，因此，對木聚糖來說，IRX15 和IRX15L 不具有甲基轉(zhuǎn)移酶的功能，它們可能參與到木聚糖合成酶復(fù)合體中，或者催化其他成分的甲基化，比如果膠．

RWA1～RWA4(Reduced wall acetyltion)為新型隱球菌Cryptococcus neoformans CAS1 基因在擬南芥中的同源基因，單基因突變體沒有明顯的表型改變，只有rwa2 表現(xiàn)出乙酰化明顯減少(減少約20%)，但乙酰化的減少不限于木聚糖，木葡聚糖和果膠等多糖也出現(xiàn)了乙酰化減少，對RWA2 的亞細胞定位表明，RWA2 定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，因此，RWA2 可能是乙?；D(zhuǎn)運蛋白［58］．在Lee 等［59］的研究中，rwa1～rwa4的雙突變體和三突變體也沒有明顯表型改變，但是四突變體莖的抗拉力程度變小，細胞壁變薄，導(dǎo)管變形，乙?；瘻p少．然而在Manabe 等［60］的研究中，三突變體都表現(xiàn)出明顯的植株矮小和乙?；瘻p少，四突變體更為嚴重，甚至沒有次生細胞壁的分化．現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)表皮毛雙折射狀(Trichome birefringence-like，TBL)家族的成員TBL29/ESK1 直接參與催化木聚糖的乙?；琫sk1 突變體次生壁變薄，主莖變?nèi)酰阴；潭让黠@減少［61-62］，并且Urbanowicz 等［37］通過異源表達ESK1 蛋白檢測到了乙酰轉(zhuǎn)移酶活性(圖2，表1)．

3 葡萄糖醛酸木聚糖主鏈合成機制

生物體內(nèi)復(fù)雜的碳水化合物有多樣的合成機制，聚糖可直接由核苷糖組裝，或者單糖首先轉(zhuǎn)移到脂類中間體上形成寡糖，再轉(zhuǎn)移到延伸的聚糖上．聚糖的延伸可經(jīng)由還原末端或非還原末端，當由還原末端進行延伸時，伸長的糖鏈為供體，活化的單糖為受體，而當由非還原末端進行延伸時，二者的角色相反，活化的單糖為供體，伸長的糖鏈為受體［65］．葡萄糖醛酸木聚糖具有還原四糖末端結(jié)構(gòu)，但是此結(jié)構(gòu)在木聚糖的合成中的作用還不清楚．根據(jù)木聚糖的延伸方向和還原四糖結(jié)構(gòu)在木聚糖合成中的功能，木聚糖的合成可能有2 種機制［13，65］．

第1 種機制認為，還原四糖結(jié)構(gòu)在木聚糖的合成中起到起始物的功能，木糖不斷添加到非還原末端使之延長．來源于動物的葡糖氨基葡聚糖的合成也是這種形式，葡糖氨基葡聚糖的還原末端有1 個連接寡糖，它經(jīng)由1 個木糖的還原末端連接到蛋白質(zhì)上，通過不斷在非還原末端添加單糖，葡糖氨基葡聚糖得以延伸［66］，然而在植物中，對這種機制的支持證據(jù)還比較缺乏．

圖2 葡萄糖醛酸木聚糖在高爾基體中的合成(參考Rennie 等［63］改進)Fig．2 Glucuronoxylan biosyntheses in Golgi(referenced by Rennie et al．［63］)

表1 葡萄糖醛酸木聚糖合成相關(guān)基因Tab．1 Genes involved in the glucuronoxylan biosynthesis

第2 種機制認為，還原四糖結(jié)構(gòu)在木聚糖的合成中起到終止物的功能，通過添加到木聚糖鏈的還原末端，終止木聚糖鏈的延伸，這樣會產(chǎn)生長度比較均一的木聚糖．在這種機制中木糖添加到糖鏈的還原末端使之延伸．還原四糖結(jié)構(gòu)如果作為終止物，則可以解釋fra8 和irx8 突變體缺失了還原四糖結(jié)構(gòu)后為何會產(chǎn)生非均一長度的木聚糖［13］．這種機制與透明質(zhì)酸［67］和淀粉［68］的合成類似，此二者也是通過添加單糖到還原末端使單糖延伸．

另一方面，在草類單子葉植物的葡萄糖醛酸阿拉伯糖木聚糖中，并沒有還原四糖結(jié)構(gòu)存在，支持了還原四糖末端可能作為終止物的假說．但是，是否草本單子葉植物的木聚糖合成不需要起始物或終止物，還是在草本單子葉植物中有另一條木聚糖合成途徑現(xiàn)在還不得而知［20］．另外，在苔蘚和草本單子葉植物中有FRA8、IRX8 和PARVUS 的同源基因，這些基因在苔蘚和草本單子葉植物中的功能還有待進一步研究［63］(圖3)．

圖3 葡萄糖醛酸木聚糖主鏈合成的2 種機制(參考York 等［65］改進)Fig．3 Two mechanisms of the glucuronoxylan backbone biosynthesis(Referenced by York et al．［65］)

4 總結(jié)

半纖維素具有重要的商業(yè)價值，一些植物的種子中含有大量的半乳甘露聚糖(如瓜爾豆Cyamopsis tetragonoloba、刺槐Robinia pseudoacacia)、葡甘露聚糖(如魔芋Amorphophallus rivieri)、木葡聚糖(如羅望子Tamarindus indica)，這些成分可用于食品工業(yè)，木聚糖水解得到的木糖可用于生產(chǎn)木糖醇，低聚木糖有利于人體健康，是膳食纖維的主要成分，并且半纖維素對食品和飼料的品質(zhì)也有很大的影響［4］．改性后的木聚糖可應(yīng)用于日用化工，制作特殊材料．在傳統(tǒng)的工業(yè)化組分分離中，堿法制漿過程將半纖維素和木質(zhì)素都降解成小分子排放進了黑液中，并未得到高值化利用．另一方面，酵母只能利用已糖(如葡萄糖或甘露糖)進行生物乙醇發(fā)酵，雖然現(xiàn)在也有發(fā)展可酵解戊糖的酵母，但是效果不佳［69］．因此，對于生物質(zhì)能源植物，目前增加生物質(zhì)利用率的有效方法是增加已糖(如葡萄糖或甘露糖)的含量，降低木糖的含量［1］．但是，占有木質(zhì)纖維素1/3 比率的木聚糖仍然是重要的生物質(zhì)能源，改變木聚糖結(jié)構(gòu)以減少木質(zhì)纖維素之間的聯(lián)結(jié)，提高木糖酵解效率將是一個重要的研究領(lǐng)域．

近幾年，關(guān)于木聚糖合成機制的了解取得了長足進步，木聚糖主鏈合成基因和側(cè)鏈合成基因都已有許多發(fā)現(xiàn)，通過生化方法也測得了一些基因的體外活性，特別是IRX10 的活性［36-37］，直接證明了IRX10 是木聚糖合成時的木糖轉(zhuǎn)移酶，但是其他的幾個基因IRX9、IRX14 和IRX15 是否直接催化木聚糖主鏈的延伸，或木聚糖復(fù)合體蛋白的結(jié)構(gòu)亞基?存在于雙子葉植物中的四糖末端是否絕對不存在于草本單子葉植物植物，此結(jié)構(gòu)對木聚糖合成的作用是什么?如此多的糖基轉(zhuǎn)移酶是如何協(xié)作來合成木聚糖，是否形成不同的蛋白復(fù)合體?為何不同植物中具有保守的纖維素合成機制，但卻具有不同的半纖維素合成機制?半纖維素是在高爾基體中合成的，最終在細胞壁上與纖維素和木質(zhì)素交聯(lián)，在這2個結(jié)構(gòu)間半纖維素的運輸機制是什么?如此多的未知問題還有待去解決，然而現(xiàn)在發(fā)掘出的木聚糖合成基因也為人為調(diào)控木聚糖的合成打開了大門，通過改變木聚糖的含量、木聚糖與纖維素、木素間的交聯(lián)，可以開發(fā)出新的生物質(zhì)能源作物，提高生物質(zhì)能源利用效率，相信隨著測試技術(shù)和分析技術(shù)的快速發(fā)展，木聚糖的合成機理會得到更加充分的解析．

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