禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控研究進(jìn)展

胡煒晨， 張 同， 胡 振， 王令強(qiáng)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)和生物能源中心，湖北 武漢 430070)

植物細(xì)胞壁是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是植物細(xì)胞區(qū)別于動(dòng)物細(xì)胞的基本特征之一。細(xì)胞壁與植物生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，維持細(xì)胞的基本形態(tài)，為植株提供機(jī)械支撐。此外，細(xì)胞壁還在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)傳導(dǎo)、花粉開(kāi)裂、育性、抵御外界環(huán)境脅迫等方面發(fā)揮廣泛的作用。

作物莖稈強(qiáng)度反映了細(xì)胞壁的物理特性，是一個(gè)重要的農(nóng)藝性狀，與產(chǎn)量、抗性等直接相關(guān)[1-3]。另外，纖維素、木質(zhì)素等細(xì)胞壁成分可作為重要的化工原料。特別是近些年來(lái)，木質(zhì)纖維素作為第二代生物能源物質(zhì)，因清潔可再生，兼具能源、材料和環(huán)保的綜合效率，正日益受到關(guān)注[4]。

秸稈的理化性質(zhì)如抗倒伏性能的改善、秸稈綜合利用效率的提高都有賴于對(duì)細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識(shí)[5-7]。同時(shí)，細(xì)胞壁作物植物區(qū)別于動(dòng)物的一個(gè)進(jìn)化特征，其形成和調(diào)控的分子機(jī)制是一個(gè)有待于研究的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。2005年，Science雜志在其創(chuàng)刊125周年時(shí)就提出把“植物如何形成細(xì)胞壁”作為接下來(lái)25年需要解決的重要科學(xué)問(wèn)題之一[8]。近十多年來(lái)，植物細(xì)胞壁合成調(diào)控分子機(jī)制研究已在國(guó)內(nèi)外引起重視，并且取得了一定的發(fā)展。本文以農(nóng)作物水稻、小麥和玉米為對(duì)象，從研究策略的角度綜述了禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控的研究進(jìn)展。

1 莖稈突變體在禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控研究中的應(yīng)用

莖稈突變體(易脆、倒伏等)是研究植物細(xì)胞壁的寶貴材料。目前，在擬南芥、水稻、玉米、大麥、小麥和高粱等中均發(fā)現(xiàn)了莖稈突變體。采用正向遺傳學(xué)研究策略，通過(guò)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建突變體，開(kāi)展基因圖位克隆和功能研究，為植物細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理的研究打下了基礎(chǔ)。

1.1 水稻莖稈突變體的發(fā)現(xiàn)和基因克隆

水稻(OryzasativaL.)是重要的糧食作物，也是單子葉模式植物。禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自于對(duì)水稻的研究。自1963年Nagao等[9]首次發(fā)現(xiàn)水稻脆莖突變體bc1以來(lái)，已有50多年歷史。早期發(fā)現(xiàn)的6個(gè)脆稈基因(bc1～bc6)，有5個(gè)通過(guò)經(jīng)典遺傳學(xué)的三體定位法定位在不同的連鎖群上[10]。但直到2003年，中國(guó)科學(xué)家克隆了水稻脆稈突變體基因bc1，才有了突破性進(jìn)展。bc1主要在厚壁組織細(xì)胞和維管束中編碼一個(gè)胞外磷脂酰肌醇(GPI)錨定類Cobra蛋白，突變降低細(xì)胞壁厚度和纖維素含量，增加木質(zhì)素含量[11]。隨后，2003年Tanaka等[12]發(fā)現(xiàn)了3個(gè)新的脆稈基因，分別編碼水稻纖維素合酶3個(gè)亞基(OsCESA4、OsCESA7、OsCESA9)，位于第1、10染色體，與以前的脆稈基因不等位。2007年，Yan等[13]克隆了bc7(t), 并發(fā)現(xiàn)該基因就是纖維素合酶基因4(OsCesA4)。與Tanaka等[12]報(bào)道的OsCesA4不同，該突變體株高沒(méi)有改變。此后，每年都有脆稈基因的發(fā)現(xiàn)和克隆，如bc3[14-15]、bc10[16]、bc11[17]、bc12[18]等。Zhou等[16]克隆了bc10，研究結(jié)果表明bc10編碼植物中新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)糖基轉(zhuǎn)移酶，該酶在高爾基體中合成，突變影響了纖維素和阿拉伯樹(shù)膠酸蛋白(AGPs)的合成。Li等[19]克隆的一軟稈易倒伏基因(fc1)編碼木質(zhì)素合成途徑中肉桂酰乙醇脫氫酶(CAD)，主要在維管束厚壁細(xì)胞的次生細(xì)胞壁中表達(dá)，突變?cè)斐衫w維素、木質(zhì)素含量和H單體含量的降低，細(xì)胞壁變薄。BC14 編碼尿苷二磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白, 該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能將核苷酸糖從胞質(zhì)運(yùn)入高爾基體中，它的缺陷造成眾多含葡萄糖基的多糖合成異常[20]。這些研究初步揭示了水稻細(xì)胞壁合成調(diào)控分子基礎(chǔ)，表明細(xì)胞壁合成涉及各細(xì)胞學(xué)過(guò)程，其中包括參與纖維素催化合成(如BC1、BC11)、基質(zhì)多糖形成/糖蛋白修飾(BC10/fc116)、細(xì)胞壁骨架的形成(BC12)以及囊泡運(yùn)輸(BC3)等。2011年，Zhang等[21]總結(jié)了水稻脆稈基因圖位克隆和功能研究進(jìn)展，闡述了脆稈突變體在細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理研究中的重要性。最近幾年，水稻中仍有脆稈基因(bc13[22]、bc14[20]、bc15[23])的克隆和報(bào)道。這些突變體基因的克隆和研究不斷豐富我們對(duì)禾本科細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1.2 禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理的復(fù)雜性

莖稈突變體的研究結(jié)果和基因克隆實(shí)踐表明，植物細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理復(fù)雜。從基因性質(zhì)來(lái)說(shuō)，細(xì)胞壁合成變化不僅與負(fù)責(zé)其成分物質(zhì)合成的基因直接相關(guān)，而且還與一些起降解作用的纖維素酶(Korrigan)和類幾丁質(zhì)酶(Chitinase-like)密切聯(lián)系。Bc15編碼沒(méi)有幾丁質(zhì)酶活性的水稻類幾丁質(zhì)酶，突變后引起莖稈厚壁細(xì)胞纖維素含量降低，次生細(xì)胞壁變薄[23]。有些莖稈強(qiáng)度突變體是通過(guò)改變纖維素微纖絲的定向沉積而影響莖稈強(qiáng)度，如bc12[18]。研究結(jié)果表明，COBRA類蛋白BC1N端碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域(Carbohydrate binding module,CBM)可結(jié)合結(jié)晶態(tài)纖維素，通過(guò)調(diào)節(jié)其微纖絲結(jié)晶度來(lái)影響次生細(xì)胞壁的薄厚及莖稈機(jī)械強(qiáng)度[24]。從細(xì)胞壁組成看，三大成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中任何一個(gè)改變，均可以導(dǎo)致整體上細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和功能的改變。而這種改變可能涉及基因調(diào)控也可能是結(jié)構(gòu)上的一個(gè)物理性互補(bǔ)。而且，初生細(xì)胞壁相關(guān)基因的改變也可進(jìn)一步導(dǎo)致次生細(xì)胞壁的變化。對(duì)半纖維素的修飾如乙?；腿ヒ阴；?，可造成次生細(xì)胞壁的改變[25-26]。初生細(xì)胞壁和次生細(xì)胞壁的相互關(guān)系，以及初生細(xì)胞壁和次生細(xì)胞壁的基因分類和功能有待進(jìn)一步明確。另外，禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究正方興未艾。目前有2篇報(bào)道分別利用候選基因轉(zhuǎn)化和圖位克隆法研究了水稻中轉(zhuǎn)錄因子(OsMYB103L)對(duì)細(xì)胞壁合成的調(diào)控機(jī)制[27-28]。MYB轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控纖維素合酶基因的表達(dá)水平，進(jìn)而使植株纖維素含量及莖稈強(qiáng)度發(fā)生改變[27]。張保才等[29]從植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與成分、細(xì)胞壁物質(zhì)合成、細(xì)胞骨架在細(xì)胞壁形成中的作用、細(xì)胞壁形成的信號(hào)與轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及研究技術(shù)的發(fā)展等幾個(gè)角度闡述了植物細(xì)胞壁合成調(diào)控的新進(jìn)展。這幾年的研究重點(diǎn)，主要體現(xiàn)在基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、纖維素合成復(fù)合體、非纖維素多糖修飾、外界環(huán)境和激素的調(diào)控，以及細(xì)胞壁各組分間的協(xié)同變化等幾個(gè)方面。

1.3 莖稈突變體在細(xì)胞壁研究中的局限性

莖稈突變體為細(xì)胞壁合成調(diào)控的研究提供了切入點(diǎn)，在研究的早、中期發(fā)揮了重要的作用。但該方法的局限性在于：(1)材料難獲得。由于家族基因互補(bǔ)等原因，有些細(xì)胞壁相關(guān)基因突變后性狀無(wú)明顯變化，很難通過(guò)表型鑒定獲得。(2)依賴圖位克隆，過(guò)程較漫長(zhǎng)。水稻中雖然有很多T-DNA等插入突變體，理論上可利用側(cè)翼序列分離等方法克隆基因，但成功不多。目前只有CESA(Tos17)和fc1(T-DNA)克隆報(bào)道[12,19]。(3)重復(fù)性難避免。克隆的基因往往與已發(fā)表的基因等位，如本實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的fc116/bc10[30]和OsCESA9[31]。(4)絕大多數(shù)為結(jié)構(gòu)基因，對(duì)細(xì)胞壁合成起直接作用，網(wǎng)絡(luò)中上游的調(diào)控基因難以發(fā)現(xiàn)。水稻中通過(guò)莖稈突變體圖位克隆的轉(zhuǎn)錄因子基因，目前只有OsMYB103L[28]。因此，隨著研究手段的多樣化，莖稈突變體已不再扮演主要角色。盡管如此，目前仍有脆稈基因被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)和克隆，如bc16、bc17、BS1的克隆。因此，脆稈突變體的研究在細(xì)胞壁合成調(diào)控研究中仍發(fā)揮作用。

2 秸稈細(xì)胞壁相關(guān)性狀的數(shù)量遺傳學(xué)研究進(jìn)展

植物細(xì)胞壁理化性質(zhì)是多基因控制的復(fù)雜性狀。定位和研究秸稈細(xì)胞壁數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)，進(jìn)而克隆相關(guān)基因進(jìn)行功能研究和利用，是另一種正向遺傳學(xué)研究手段。秸稈相關(guān)性狀的遺傳學(xué)研究，早期僅有一些抗倒伏、莖稈木質(zhì)化性狀以及飼料纖維素和木質(zhì)素含量和可消化性的QTL的定位報(bào)道。隨著對(duì)生物質(zhì)飼料和生物質(zhì)能源的重視，目前玉米、大麥、燕麥、小麥和水稻等禾本科作物的細(xì)胞壁性狀遺傳學(xué)研究取得了一定的進(jìn)展。

2.1 玉米秸稈相關(guān)性狀的QTL定位

玉米是重要的青儲(chǔ)飼料，又是美國(guó)等國(guó)家重視的能源作物，所以較早開(kāi)展了秸稈細(xì)胞壁相關(guān)性狀的數(shù)量遺傳學(xué)研究。葉鞘和莖稈的中性可洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)和酸可溶木質(zhì)素(ADL)性狀的QTL定位研究結(jié)果[32-34]表明秸稈性狀存在相關(guān)性，相關(guān)QTL位置和效應(yīng)有一致性，比如對(duì)纖維性狀QTL的選擇可提高秸稈的可消化性。另外，發(fā)現(xiàn)QTL與纖維素或淀粉合成途徑的基因連鎖。Barrière等[35-36]利用F838×F286重組自交系對(duì)控制木質(zhì)素含量、木質(zhì)素單體含量和對(duì)羥基肉桂酸含量以及細(xì)胞壁可降解性的QTL進(jìn)行了定位。Barrière等[37]利用WM13和Rio雜交的重組自交系定位了木質(zhì)素含量QTL。其中一個(gè)影響Klason木質(zhì)素含量的主效QTL可解釋43%的遺傳變異；另外還定位了對(duì)羥基肉桂酸含量QTL 13個(gè)、木質(zhì)素單體含量QTL 9個(gè)。該研究進(jìn)一步與前人的5個(gè)RIL群體的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)比較總結(jié)，一共得到50個(gè)QTL與ADL/NDF有關(guān)，涉及23個(gè)單一位點(diǎn)，有53個(gè)QTL與體外消化率(IVNDFD)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁相關(guān)性狀QTL往往成簇分布，還存在很多QTL并沒(méi)有與細(xì)胞壁單體合成和多聚化相關(guān)的基因?qū)?yīng)，推測(cè)這些位點(diǎn)可能與對(duì)木質(zhì)素合成和次生細(xì)胞壁沉淀的調(diào)控基因有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

2.2 其他禾本科作物秸稈相關(guān)性狀的QTL研究

除玉米外，在燕麥和大麥中也已檢測(cè)了一些影響細(xì)胞壁可消化性、纖維品質(zhì)、木質(zhì)素含量、半纖維素成分、糖成分等相關(guān)性狀的QTL[38-39]。小麥中莖稈強(qiáng)度、莖粗和稈壁厚度相關(guān)性狀QTL可較好地用于小麥抗倒伏選擇育種[40-41]。值得一提的是，在對(duì)大麥半纖維素成分MLG含量的QTL定位中，發(fā)現(xiàn)一主效QTL，對(duì)該QTL精細(xì)定位，并利用水稻同源區(qū)段比較克隆和驗(yàn)證了該基因功能，研究結(jié)果發(fā)表在Science雜志上[42]。而在水稻中，Okawa等[43]利用染色體片段代換系鑒定出莖稈厚度QTL(SCM2)并將其克隆，發(fā)現(xiàn)其與影響穗結(jié)構(gòu)的APO1基因等位。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)攜帶SCM2的近等基因系莖稈強(qiáng)度增強(qiáng)同時(shí)穗粒數(shù)增加。該研究結(jié)果為提高水稻的抗倒伏能力和產(chǎn)量提供了新思路。

2.3 禾本科植物細(xì)胞壁成分和酶解產(chǎn)糖效率的QTL研究

盡管植物細(xì)胞壁相關(guān)性狀的QTL定位逐漸增多，但真正涉及細(xì)胞壁理化性質(zhì)的定位不多。在秸稈抗倒伏研究方面，由于指標(biāo)和群體問(wèn)題，真正與秸稈密切相關(guān)的QTL很少定位到，目前也沒(méi)有從細(xì)胞壁組成和結(jié)構(gòu)特性等內(nèi)在層面展開(kāi)。在秸稈相關(guān)化學(xué)性狀方面，由于缺乏高效的細(xì)胞壁分析平臺(tái)，對(duì)細(xì)胞壁單糖組成和木質(zhì)素單體的定位還很少，也幾乎沒(méi)有生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化效率的數(shù)量遺傳學(xué)研究。擬南芥中最早開(kāi)展了細(xì)胞壁成分如木質(zhì)素相關(guān)性狀和可降解性的QTL定位研究[44-45]。在玉米中，利用玉米品種B73和Mo17構(gòu)建重組自交系，定位了152個(gè)玉米秸稈酶解葡萄糖釋放量和細(xì)胞壁組分相關(guān)的QTL，為能源作物分子標(biāo)記輔助選擇打下了基礎(chǔ)[46]。隨后的Barriere[36-37]的QTL定位研究也涉及了一些秸稈木質(zhì)素單體和可降解性。2014年，Penning等[47]利用玉米重組自交系對(duì)木質(zhì)素含量和酶解產(chǎn)糖進(jìn)行了QTL定位，檢測(cè)到木質(zhì)素含量、4-乙烯基苯酚含量和酶解產(chǎn)糖相關(guān)的QTL，在該群體中苯酚類物質(zhì)含量的QTL與糖釋放量的QTL并無(wú)關(guān)系，他們推測(cè)有其他非木質(zhì)素細(xì)胞壁因子影響了該群體的酶解轉(zhuǎn)化效率。在水稻中，Zhang等[21]利用野生稻Yuanj和Teqing的導(dǎo)入系群體定位了與半纖維單糖含量相關(guān)的QTL，其中4個(gè)木糖和葡萄糖含量相關(guān)的QTL貢獻(xiàn)率可達(dá)20%。最近在四倍體小麥和二棱春大麥中，利用自然群體對(duì)阿拉伯木聚糖含量進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析[48-49]。這些秸稈細(xì)胞壁成分相關(guān)QTL的定位，給秸稈農(nóng)藝性狀的遺傳改良帶來(lái)了便利，也為隨后的基因克隆建立了基礎(chǔ)。

2.4 植物細(xì)胞壁組成和酶解產(chǎn)糖效率分析平臺(tái)在數(shù)量遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)，缺乏快速、準(zhǔn)確的性狀測(cè)定方法而無(wú)法完成對(duì)大規(guī)模群體的分析，是細(xì)胞壁數(shù)量遺傳學(xué)研究的瓶頸。最近，近紅外光譜分析技術(shù)(NIR)和高通量細(xì)胞壁分析測(cè)定技術(shù)平臺(tái)在生物質(zhì)能研究領(lǐng)域的應(yīng)用值得關(guān)注。NIR具有快速、無(wú)損、環(huán)保、無(wú)前處理的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量樣本的高通量測(cè)定[50]。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于生物質(zhì)和生物能源領(lǐng)域，例如秸稈的化學(xué)成分測(cè)定[51]，大麥燃料酒精品質(zhì)和谷類種子產(chǎn)生酒精的潛力[52-53]，小麥秸稈細(xì)胞壁成分分析及秸稈的可降解性預(yù)測(cè)[54-55]。Templeton等[56]利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法(NIR/PLS)測(cè)定了來(lái)自美國(guó)8個(gè)玉米種植帶的508份商業(yè)化雜交玉米秸稈樣品細(xì)胞壁成分的變異。最近，本課題組利用NIR對(duì)不同預(yù)處理?xiàng)l件下芒草和水稻細(xì)胞壁成分和酶解轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行了近紅外建模[57-58]。

最近幾年開(kāi)發(fā)的一些細(xì)胞壁成分自動(dòng)化分析系統(tǒng)，可采用不用預(yù)處理模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模樣品的分析。這些分析系統(tǒng)具有快速、重復(fù)性好、精密度高、結(jié)果可比性強(qiáng)等明顯優(yōu)點(diǎn)，可用于生物能源研究和其他工業(yè)生產(chǎn)[59-60]。美國(guó)能源部大湖能源研究中心(DOE-GLBRC)開(kāi)發(fā)的高通量木質(zhì)纖維降解轉(zhuǎn)化分析平臺(tái)用于篩選降解效率提高的種質(zhì)資源[60]。該平臺(tái)可在16 h內(nèi)研磨和稱取1～5 mg的樣品250份，并在后續(xù)的36 h內(nèi)自動(dòng)化完成預(yù)處理、酶解和產(chǎn)糖分析，非常適合于優(yōu)異種質(zhì)資源或突變體的大規(guī)模篩選。另外，他們開(kāi)發(fā)了核心取樣系統(tǒng)(CSD)，單人操作便可在8 h內(nèi)完成1 000份以上樣品的取樣，取樣均勻一致，無(wú)交叉污染，樣品采集后可馬上放入冰浴、干冰和液氮中保存[61]。該平臺(tái)已接受來(lái)自全美細(xì)胞壁研究相關(guān)單位的樣品(與美國(guó)能源部植物實(shí)驗(yàn)室DJ Walton教授的交流)。本課題組利用GLBRC高通量測(cè)定平臺(tái)測(cè)定了水稻重組自交系中細(xì)胞壁半纖維素單糖組成、木質(zhì)素含量和單體組成以及酶解轉(zhuǎn)化效率，并定位QTL，探討在能源植物改良中的應(yīng)用。這些技術(shù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)無(wú)疑將大大加快細(xì)胞壁相關(guān)性狀的數(shù)量遺傳學(xué)研究進(jìn)程。

3 細(xì)胞壁合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究中的基因共表達(dá)分析

細(xì)胞壁的合成和代謝涉及大量基因，是一個(gè)精細(xì)的時(shí)空調(diào)控網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)植物中有超過(guò)10%的基因直接參與細(xì)胞壁的代謝過(guò)程[62]。隨著生物信息學(xué)以及大數(shù)據(jù)的發(fā)展，采用反向遺傳學(xué)策略，通過(guò)生物信息學(xué)等手段篩選和預(yù)測(cè)相關(guān)基因，進(jìn)行基因克隆和功能驗(yàn)證是目前細(xì)胞壁研究領(lǐng)域的主流。

3.1 表達(dá)譜與植物細(xì)胞壁研究

表達(dá)譜數(shù)據(jù)庫(kù)提供基因?qū)Σ煌h(huán)境和處理的響應(yīng)信息和在不同組織的時(shí)空表達(dá)情況?；蚋淖兓蛘咄饨绛h(huán)境刺激，會(huì)引起相關(guān)代謝途徑基因的協(xié)同改變。Gou等[63]研究了棉花纖維伸長(zhǎng)過(guò)程中的基因表達(dá)譜和代謝變化。Guillaumie等[64]研究了在煙草中超量表達(dá)WRKY12 對(duì)木質(zhì)素途徑基因和木質(zhì)部的發(fā)育影響。另外，表達(dá)模式相近的基因往往具有功能關(guān)聯(lián)性，通過(guò)基因功能富集分析，可有效推斷新基因功能[65-66]。此外，結(jié)合基因組的非編碼序列分析可找出共表達(dá)基因共有的順式作用元件，進(jìn)而構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[67-68]。擬南芥中，從2005年起全基因組共表達(dá)分析開(kāi)始被用來(lái)預(yù)測(cè)細(xì)胞壁基因網(wǎng)絡(luò)[69-70]。Persson等[69]利用編碼次生細(xì)胞壁纖維素合酶3個(gè)亞基的相關(guān)基因(AtCesA4、AtCesA7、AtCesA8)為誘餌，鑒定了與之表達(dá)趨勢(shì)一致的基因。共表達(dá)基因包括β-1,4內(nèi)切葡聚糖酶基因、木質(zhì)素合成相關(guān)基因(如PAL、COBRA-Like基因)以及與木聚糖等細(xì)胞壁等多聚物的合成糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族成員[71]。最近，Gu等[72]在擬南芥中利用共表達(dá)分析結(jié)合酵母雙雜交成功篩選并驗(yàn)證了初生細(xì)胞壁的纖維素復(fù)合體相關(guān)基因CSI1，證明該方法對(duì)于發(fā)現(xiàn)次生細(xì)胞壁調(diào)控網(wǎng)絡(luò)相關(guān)基因和蛋白質(zhì)復(fù)合體組成基因都具有重要作用。

3.2 共表達(dá)分析在水稻細(xì)胞壁調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究中的應(yīng)用

在水稻中，大量積累的基因組數(shù)據(jù)為細(xì)胞壁合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究提供了基礎(chǔ)。水稻中目前有很多全基因組表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)可以利用，如CREP水稻全生育期基因表達(dá)芯片數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了水稻整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育的33個(gè)組織器官的表達(dá)信息[73]。Wang等[74]利用該數(shù)據(jù)庫(kù)，首次在水稻細(xì)胞壁研究中進(jìn)行基因共表達(dá)分析嘗試。通過(guò)對(duì)水稻纖維素合酶超基因家族(OsCesA/CsL)和Cobra基因家族的表達(dá)模式分析，發(fā)現(xiàn)這些基因家族存在廣泛的和功能相適應(yīng)的共表達(dá)模塊。如水稻初生細(xì)胞壁纖維素合酶的3個(gè)亞基基因(OsCesA1、OsCesA3、OsCesA8)密切共表達(dá)，次生細(xì)胞壁細(xì)胞壁纖維素合酶的3個(gè)亞基基因(OsCesA4、OsCesA7、OsCesA9)密切共表達(dá)。隨后，Xie等[75]也利用CREP數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合突變體分析對(duì)水稻纖維素酶相關(guān)基因開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)纖維素酶相關(guān)基因中GH9A3和GHB5與初生細(xì)胞壁纖維素合酶基因(OsCesA1、OsCesA3、OsCesA8)共表達(dá)，預(yù)測(cè)參與細(xì)胞壁纖維素合成，而GH9B、GH9B1、GH9B16可能與纖維素的結(jié)晶度有關(guān)。Guo等[76]發(fā)展了一種加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析方法，結(jié)合CREP數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)的全基因組共表達(dá)分析，推測(cè)了與初生細(xì)胞壁、次生細(xì)胞壁合成和建構(gòu)，半纖維素修飾和降解以及與木質(zhì)素G 單體合成相關(guān)基因模塊，并分析了模塊間和模塊內(nèi)各基因相互關(guān)系，注釋了基因的功能和代謝途徑，初步建立了與水稻細(xì)胞壁合成調(diào)控相關(guān)的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。另外，中國(guó)科學(xué)院周奕華研究員課題組也通過(guò)對(duì)發(fā)育莖稈的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，正在篩選和驗(yàn)證次生壁合成調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。通過(guò)基因的共表達(dá)分析，大規(guī)模的關(guān)鍵基因功能驗(yàn)證，有望最終揭示次生細(xì)胞壁合成調(diào)控機(jī)理。

4 展 望

細(xì)胞壁的合成調(diào)控機(jī)理復(fù)雜，涉及基因眾多。細(xì)胞壁各成分含量、沉積方向、結(jié)晶度、聚合度的改變均能夠影響細(xì)胞壁的理化特性。此外，植物為適應(yīng)生長(zhǎng)發(fā)育需要和多變的環(huán)境，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組成也動(dòng)態(tài)可變，這就需要靈活多樣的調(diào)控途徑。以水稻為代表的禾本科植物細(xì)胞壁合成調(diào)控分子機(jī)制研究起步較晚，但已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并表現(xiàn)以下的趨勢(shì)。

莖稈突變體的發(fā)現(xiàn)為細(xì)胞壁研究作出了歷史性貢獻(xiàn)，至今仍在發(fā)揮作用。另外，新的研究手段也在不斷豐富細(xì)胞壁研究的內(nèi)容。在擬南芥中，2005年后開(kāi)始采用綜合研究策略研究細(xì)胞壁相關(guān)基因特別是對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的研究。通過(guò)表達(dá)分析(如激光微切割技術(shù)分離不同細(xì)胞壁處于不同發(fā)育階段的樣品)，結(jié)合定量PCR和GUS染色，轉(zhuǎn)錄因子文庫(kù)和酵母單雙雜交以及遺傳互補(bǔ)等手段，初步揭示了NAC、MYB、WRKY等轉(zhuǎn)錄因子參與擬南芥次生細(xì)胞壁合成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[77]。2015年，Taylor-Teeples等[78]系統(tǒng)闡述了從最關(guān)鍵的調(diào)控因子E2Fc出發(fā)，通過(guò)調(diào)控VND6、VND7等一系列轉(zhuǎn)錄因子，最終調(diào)控次生細(xì)胞壁基因表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)通路。目前，在禾本科模式植物水稻中DNA序列及基因組注釋、基因芯片表達(dá)譜、蛋白質(zhì)互作、轉(zhuǎn)錄因子、2D蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)、質(zhì)譜、代謝網(wǎng)絡(luò)等新類型數(shù)據(jù)庫(kù)紛紛建立并偶聯(lián)。顯然，禾本科植物可以借鑒擬南芥的研究成果和策略。以生物信息學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，綜合應(yīng)用各種手段研究細(xì)胞壁合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為研究重點(diǎn)。

細(xì)胞壁高通量分析平臺(tái)的建立克服了細(xì)胞壁性狀數(shù)量遺傳學(xué)研究的技術(shù)瓶頸，為大規(guī)模細(xì)胞壁性狀測(cè)定和QTL定位帶來(lái)了極大的便利。細(xì)胞壁QTL定位和數(shù)量遺傳學(xué)的研究進(jìn)展，將為分子標(biāo)記輔助選擇改良作物秸稈性狀建立基礎(chǔ)，但是精細(xì)定位克隆相關(guān)QTL尚待時(shí)日。

如果說(shuō)化學(xué)分析技術(shù)平臺(tái)的建立大大拓展了細(xì)胞壁研究的廣度，那么核磁共振波譜技術(shù)(Nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR)、原子力顯微鏡(Atomic force microscope,AFM)等技術(shù)的應(yīng)用，將細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的研究推進(jìn)到分子和納米水平。如利用 X-射線衍射技術(shù)，可以推測(cè)纖維素鏈結(jié)合模型，并區(qū)別疏水和親水表面[79]。核磁共振波譜技術(shù)具有非破壞性、信息量大、可獲得細(xì)胞壁天然結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于纖維素晶體結(jié)構(gòu)、多糖結(jié)構(gòu)與修飾及木質(zhì)素結(jié)構(gòu)分析。糖組學(xué)技術(shù)利用細(xì)胞壁多糖單克隆抗體和免疫組化技術(shù), 可對(duì)各種類型細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞壁組成原位分析。而糖抗體與酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定技術(shù)(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)結(jié)合發(fā)展出了新的類似芯片分析的技術(shù)，可快速、高通量獲得細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)成分信息[80]。原子力顯微鏡達(dá)到納米級(jí)的分辨率，可觀察細(xì)胞壁自然形貌，可對(duì)纖維素晶體大小以及與半纖維素的相互作用進(jìn)行觀察和計(jì)算[81]。

近年來(lái)，已有一些相關(guān)的研究者報(bào)道了環(huán)境因子和激素對(duì)細(xì)胞壁合成調(diào)控的影響。水稻MYB103轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)控細(xì)胞壁合成代謝[27-28]。細(xì)胞膜上的受體類激酶(RLK)既可作為一些信號(hào)分子的重要受體，又可將信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)移傳遞到細(xì)胞內(nèi)，成為細(xì)胞壁信號(hào)通路的重要元件。最近，外界環(huán)境因子和激素(如赤霉素和油菜素內(nèi)脂)參與細(xì)胞壁合成調(diào)控的報(bào)道逐年增多[28, 82-85]。如與赤霉素(GA)相關(guān)的DELLA蛋白可與正調(diào)控水稻纖維素合酶基因的轉(zhuǎn)錄因子NAC29/31互作，促進(jìn)其降解從而抑制纖維素合酶基因的表達(dá)[84]?？梢灶A(yù)期，與激素信號(hào)和外界環(huán)境刺激相關(guān)的植物細(xì)胞壁合成信號(hào)通路和基因網(wǎng)絡(luò)將成為研究的熱點(diǎn)。

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