植物木質(zhì)素合成調(diào)控及基因工程研究進(jìn)展

曹彩榮

摘要 ? ?木質(zhì)素作為植物次生細(xì)胞壁的重要組分，分布于輸導(dǎo)組織和木質(zhì)化組織細(xì)胞壁中，不僅能提高細(xì)胞壁的隔水性和機(jī)械強(qiáng)度，而且在提高植物的抗病性、抗逆性方面也發(fā)揮著重要作用。本文從植物木質(zhì)素的種類、合成調(diào)控、檢測方法和利用基因工程從源頭調(diào)控植物木質(zhì)素含量等方面對植物木質(zhì)素的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，并基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，對改變植物木質(zhì)素組成的有效途徑進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 ? ?植物木質(zhì)素;合成調(diào)控;基因工程;研究進(jìn)展

中圖分類號 ? ?Q556.2 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）19-0004-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

作為植物次生細(xì)胞壁的重要組成之一，木質(zhì)素在植物中的主要作用包括如下幾個方面：一是木質(zhì)素會滲透到細(xì)胞壁骨架中，與大分子的纖維素與半纖維素有效融合，最終使植物細(xì)胞機(jī)械強(qiáng)度增加、植物的抗倒伏能力提升[1-2];二是作為高分子聚合物的一種，木質(zhì)素具有不可溶的特性，使得植物維管處的細(xì)胞壁具有疏水的特點，從而使植物內(nèi)的水分與相關(guān)水溶礦物質(zhì)能夠順利借助維管系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的輸送[3];三是木質(zhì)素會融合到纖維素等物質(zhì)中，使細(xì)胞壁骨架內(nèi)形成一道有效屏障，防止各種病原菌入侵，從細(xì)胞層面提升植物的預(yù)防能力[4-6]?，F(xiàn)將植物木質(zhì)素合成調(diào)控及基因工程研究進(jìn)展綜述如下。

1 ? ?構(gòu)成木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的單體類型

組成木質(zhì)素的單體類型有多種，包括芥子醇、香豆醇、松柏醇等，這些物質(zhì)從屬于木質(zhì)醇類，為苯丙烷衍生物在各種羥基化與甲基化的作用下借助多種化學(xué)鍵構(gòu)建形成[7]。主要過程：芥子醇、香豆醇、松柏醇首先會生成苯羥基型（p-hydroxyphenyl H）木質(zhì)素、松柏醇?xì)埢停╣uaiacyl G）木質(zhì)素和丁香基型（syringyl S）木質(zhì)素，這些木質(zhì)素殘基借助共價方式，如醚鍵（-O-）與碳碳鍵（C-C）等有效地連接[2]。

在不同植物類群內(nèi)，木質(zhì)素及相關(guān)類型所占的比重不同。以松柏醇聚合而生成的G型木質(zhì)素為木質(zhì)素主要構(gòu)建部分的植物主要有蕨類植物與裸子植物，以松柏醇和丁香醇經(jīng)過聚合作用形成的G-S型木質(zhì)素為木質(zhì)素主要部分的植物包括雙子葉植物，涵蓋3種木質(zhì)醇單體，也就是H-G-S型木質(zhì)素為木質(zhì)素的主要組成部分是植物的原本屬性，植物屬性分為單子葉屬性和雙子葉屬性，根據(jù)上述表明，其木質(zhì)素主要組成部分為第一類屬性[8]。在自然界中，每種植物都有木質(zhì)素，但是木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)與植物品種相關(guān)。即使同一物種，在不同階段內(nèi)，植物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)也不一致，造成這種原因是體內(nèi)的單體發(fā)生了改變[9]。事實上，除了以上幾種木質(zhì)素單體之外，還有其他類型的木質(zhì)素單體形式[10]。

2 ? ?木質(zhì)素合成調(diào)控

2.1 ? ?木質(zhì)素的合成

已有研究表明，生物體內(nèi)形成層木質(zhì)素必然會經(jīng)過莽草酸途徑、類苯丙酸途徑和特異途徑。第一步需要植物的外界轉(zhuǎn)換，植物在陽光照射下，將體內(nèi)的葡萄糖轉(zhuǎn)化為各種氨基酸，形成的氨基酸中包括莽草酸，莽草酸是植物體內(nèi)需轉(zhuǎn)化的必要過程[11];第二步便是將第一步產(chǎn)生的酸進(jìn)行脫氨基處理，莽草酸分子中的氨基在相關(guān)酶的催化作用下，形成羥基肉桂酸類化合物;第三步將上一環(huán)節(jié)生成的HCAs及HCA-CoA物質(zhì)進(jìn)行還原，還原物質(zhì)在相關(guān)酶催化作用下形成木質(zhì)素單體結(jié)構(gòu)，該單體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的親和力，尤其針對金屬離子[12]。在整個過程中，第二步與第三步起到關(guān)鍵作用，所以在對木質(zhì)素合成進(jìn)行研究的過程中，應(yīng)高度重視類苯丙酸途徑和特異途徑[13]。

近些年的研究成果表明，木質(zhì)素合成的總量與苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonialyase，PAL）、肉桂酸-4-羥基化酶（cinnamate-4-hydroxylase，C4H）和4-香豆酸輔酶A連接酶（4-Coumarate：CoA ligase，4CL）生成量及其活性水平密切相關(guān)[14];而木質(zhì)素的特異性與阿魏酸5-羥基化酶（ferulate 5-hydroxylase，F(xiàn)5H）、咖啡酸/5-羥基阿魏酸O-甲基轉(zhuǎn)移酶（caffeicacid-5-O-methyltransfena se，COMT）和咖啡酰輔酶A/5-羥基阿魏酰輔酶A-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（caffeoyl-Co A 5-O- methyltransfenase，CCoAOMT）這3種酶有著莫大的關(guān)系，其對單體木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的比重產(chǎn)生關(guān)鍵性的作用[15]。

2.1.1 ? ?PAL。PAL處在類苯丙酸途徑的起始位置，不僅與木質(zhì)素合成途徑相關(guān)，還與香豆酸酯類和類黃酮等次生物質(zhì)的生成直接相關(guān)，因而PAL為木質(zhì)素生成的限速環(huán)節(jié)之一。然而有關(guān)該方面的抑制研究表明，轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行木質(zhì)素合成的過程中會受到一定的抑制作用，且對植物本身的逆境應(yīng)答響應(yīng)機(jī)制產(chǎn)生抑制作用[16]。

2.1.2 ? ?C4H。C4H為加氧酶的一種，從整個木質(zhì)素合成過程來看，其處于PAL后，能夠?qū)θ夤鹚崞鸬酱呋饔檬怪蔀橄愣顾?，也就是木質(zhì)素單體的前體。當(dāng)前，人們公認(rèn)苯丙氨酸只有通過PAL和C4H才能夠轉(zhuǎn)為香豆酸;然而與PAL一樣，C4H的合成與多個因素有關(guān)，其中包括木質(zhì)素單體酶的代謝，將羥基進(jìn)行脫水分離，合成相關(guān)碳水化合物。C4H的合成還與木質(zhì)素有一定的關(guān)聯(lián)，木質(zhì)素在單體合成過程中會對C4H具有一定的抑制作用，但是對植物的生長卻沒有產(chǎn)生任何變化;然而木質(zhì)素單體S/G的比值卻發(fā)生了變化，木質(zhì)素單體中S的含量有所下降，木質(zhì)素單體G也許會借助其他路徑來實現(xiàn)補(bǔ)償或者C4H與其他酶生成復(fù)合酶從而獲得木質(zhì)素單體S[17]。

2.1.3 ? ?4CL。4CL能夠?qū)Σ煌牡孜锂a(chǎn)生催化作用，如香豆酸、阿魏酸、咖啡酸與肉桂酸等，使之生成CoA酯，從整個類苯丙烷代謝的過程來看，其為獲得不同木質(zhì)素單體的關(guān)鍵所在，起到非常重要的控制作用。當(dāng)前，很多植物內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了4CL這一物質(zhì)，并得到了克隆驗證。對這類物質(zhì)進(jìn)行抑制能夠緩解轉(zhuǎn)基因植物中因木質(zhì)素含量高而導(dǎo)致的生長過快問題，這一點與木質(zhì)素含量對生物機(jī)體產(chǎn)生纖維素含量的影響相關(guān)。

2.1.4 ? ?F5H。F5H為S型木質(zhì)素合成的唯一環(huán)節(jié)，對于缺失F5H的植物材料其木質(zhì)素為G型木質(zhì)素，F(xiàn)5H能夠有效地提升S型木質(zhì)素的含量，使得S/G的比值上升。有關(guān)F5H表達(dá)的研究成果顯示，F(xiàn)5H帶有的微粒體重在莖桿的木質(zhì)部尤其是厚壁組織中具有非常高的活性。

2.1.5 ? ?COMT。COMT具有催化三類底物的作用，也就是促使咖啡酸、5-羥基松柏醛、5-羥基松柏醇甲基轉(zhuǎn)換形成阿魏酸、芥子醛和芥子醇。抑制植物中的COMT活性會使轉(zhuǎn)基因植物內(nèi)的S型木質(zhì)素出現(xiàn)減少的情況，這表明COMT借助對S型木質(zhì)素前體的合成從而控制S型木質(zhì)素。除此之外，COMT的表達(dá)還帶有時空特異性，存在于植物木質(zhì)部中，但是在葉中卻難以檢測到COMT。

2.1.6 ? ?CCoAOMT。CCoAOMT借助對咖啡酰CoA轉(zhuǎn)化成阿魏酰CoA的控制來實現(xiàn)植物木質(zhì)素的合成及類型的控制。該方面的研究成果表明，抑制CCoAOMT的合成會使得S型木質(zhì)素與G型木質(zhì)素的合成出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，且對G型木質(zhì)素的抑制作用更為顯著，從而實現(xiàn)對S/G比值的控制。因此，CCoAOMT主要是G型木質(zhì)素的調(diào)控因子。與4CL、F5H和COMT一樣，CCoAOMT主要存在于植物的木質(zhì)部。

2.2 ? ?木質(zhì)素的調(diào)控

在調(diào)控木質(zhì)素合成的過程中，有許多基因調(diào)控方面的轉(zhuǎn)錄因子，其中最為重要的轉(zhuǎn)錄因子有MYB類轉(zhuǎn)錄因子與NAC類轉(zhuǎn)錄因子。

MYB類轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)在擬南芥中被驗證有參與調(diào)控植物木質(zhì)素，如R2R3型與LIM[18]等借助和結(jié)合參于苯丙烷途徑的基因融合，如PAL、C4H、4CL、C3H、CCoAOMT、CCR和CAD等通過對子區(qū)中存在的AC元件[19]進(jìn)行啟動從而實現(xiàn)調(diào)控，這些基因中都涵蓋AC-Ⅰ（ACCTA CC）、AC-Ⅱ（ACCAACC）或AC-Ⅲ（ACCTAAC）中1個或多個AC元件[20]。在與苯丙烷途徑基因的啟動子進(jìn)行融合的過程中，該轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合能夠控制苯丙烷的代謝[21-22]。另外，MYB類轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)錄過程中，會根據(jù)苯丙烷的代謝情況，對具有木質(zhì)素基因進(jìn)行讀取。如在PAL讀取過程中，會將轉(zhuǎn)錄因子中的基因進(jìn)行記憶，完成木質(zhì)素基因讀取的過程。

NAC類轉(zhuǎn)錄因子能夠借助控制MYB類轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，從而控制木質(zhì)素的生物合成[23]，因為從整個木質(zhì)素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來看，NAC處于上游區(qū)域，借助NAC調(diào)控會出現(xiàn)諸多不確定的情況。當(dāng)前，模式植物擬南芥中克隆已經(jīng)驗證了部分NAC類轉(zhuǎn)錄因子參與木質(zhì)素合成的調(diào)控[6]。

事實上，除了上述2種轉(zhuǎn)錄因子之外，在植物木質(zhì)素調(diào)控的過程中還出現(xiàn)了很多其他的轉(zhuǎn)錄因子，如WRKY類轉(zhuǎn)錄因子，其與MYB類轉(zhuǎn)錄因子非常類似[6]，這類轉(zhuǎn)錄因子在擬南芥中過表達(dá)表現(xiàn)出MYB83、MYB46和MYB63等轉(zhuǎn)錄水平上升的現(xiàn)象，從而使得4CL1、HCT、COMT、PAL1和CCR1的表達(dá)量下降，最終降低轉(zhuǎn)基因植株的木質(zhì)素含量，所以在對木質(zhì)素代謝進(jìn)行調(diào)控的過程中，SbbHLH1作用要比MYB強(qiáng)[24]。

3 ? ?木質(zhì)素的測定方法

目前，常用的檢測分析木質(zhì)素的方法有Klason法[25]、紫外分光光度法[26]、紅外光譜定量分析法[27]、同位素法[28]、近紅外光譜法[29]。其中，應(yīng)用比較廣泛的主要有Klason法和紫外分光光度法[30]。

4 ? ?展望

在多個物種基因序列明確的情況下，木質(zhì)素合成調(diào)控方面的基因可以實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，并對此展開多方面的分析，如序列差異化、多態(tài)性、啟動子等，在基因組編輯技術(shù)的作用下[31]展開定向誘變，這樣能夠有效地杜絕植物出現(xiàn)同源抑制的現(xiàn)象，從而獲得抗病、抗倒伏能力更強(qiáng)的植物。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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