木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶（XTH）研究進展

王大鵬，呂鑫億，閆金國，黃 姍

（濰坊護理職業(yè)學院醫(yī)學基礎部，山東 青州 262500）

木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶（xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase，XTH）是一種細胞壁松弛酶，是植物細胞壁重構(gòu)過程中的關鍵酶，高等植物中保留了大量XTH 基因家族（由20～60 個基因組成），其成員以組織、時間及刺激依賴的方式活躍表達，最近研究發(fā)現(xiàn)木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶通過響應多種植物激素以及其他環(huán)境信號，調(diào)控植物生長發(fā)育，并在植株形態(tài)建成中發(fā)揮重要作用。

1 XTH 結(jié)構(gòu)基礎

XTHs 屬于糖苷水解酶家族GH16。在模式植物擬南芥中已克隆出33 個編碼XTH 蛋白家族基因的ORF。XTH 家族的蛋白結(jié)構(gòu)中共同具有一個DEIDFEFLG 的特征結(jié)構(gòu)域，其中包含的氨基酸殘基是實現(xiàn)酶促反應的關鍵。對擬南芥AtXTH22 基因蛋白DEIDFEFLG 基序中的首個谷氨酰胺殘基進行定點突變，發(fā)現(xiàn)其在AtXTH22 蛋白酶觸反應中必不可少。同時發(fā)現(xiàn)，催化位點附近的蘇氨酸或絲氨酸殘基上的N-聚糖對維持酶結(jié)構(gòu)和活性具有重要性，通過定向誘變或酶解的方法去除這段N-聚糖，則大大減少了許多XETs 固有的折疊數(shù)量及穩(wěn)定性。

2 XTH 酶活性

木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶（XTH）基因編碼的蛋白質(zhì)具有潛在的兩種不同的催化活性，對木葡聚糖具有完全不同的效應，同時具有木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶活性和木葡聚糖內(nèi)糖基水解酶活性，可導致鏈的不可逆性縮短。VaXTH1 酶活性受pH 調(diào)節(jié)，在pH 為5.8 時具有最大的轉(zhuǎn)移酶活性。同樣，研究發(fā)現(xiàn)pH在6 以上時，重組楊樹XTH 蛋白及旱金蓮胚軸XTH 蛋白活性急劇下降。上述研究提示XTH 酶活性可能響應質(zhì)外體pH 的變化，調(diào)控植物生長發(fā)育。

3 XTH 作用機制

植物細胞的伸長和擴張是一個高度協(xié)調(diào)的復雜過程。在細胞伸長和擴張過程中，細胞形態(tài)由細胞壁控制，細胞壁生化特性改變中的膨壓驅(qū)動細胞擴張。植物細胞壁由纖維素結(jié)晶、纖維素微纖絲和半纖維素等多聚物組成，XTH 發(fā)揮作用需要以β-1，4 糖苷鍵等基本的葡聚糖結(jié)構(gòu)為基礎。研究發(fā)現(xiàn)木葡聚糖的剪切和連接在細胞壁的伸長和擴張過程中起到關鍵作用，木葡聚糖是構(gòu)成細胞壁多聚物的重要成員，如木葡聚糖與纖維素微纖絲表面結(jié)合，介導形成纖維素微纖絲-木葡聚糖交聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)。目前，XTH 被認為在植物細胞壁松弛過程中發(fā)揮重要作用，其促使植物細胞壁伸長和細胞體積膨大主要依賴XTH 蛋白介導的兩個催化過程：①內(nèi)切木葡聚糖鏈；②將新生成的木葡聚糖分子轉(zhuǎn)移到同類分子的非還原端。

細胞壁結(jié)構(gòu)改變的四種方式中XTH 發(fā)揮重要作用。XG 為細胞壁中的木葡聚糖分子，CM 代表細胞壁中的纖維素微纖絲。A和B 所示為細胞壁擴張過程：A 過程中單純的木葡聚糖內(nèi)糖基水解酶發(fā)揮作用，承重木葡聚糖交聯(lián)被水解，B 過程中木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶發(fā)揮作用，介導細胞壁結(jié)構(gòu)間交聯(lián)。C 和D 所示為細胞壁沉積過程：C 過程由單純的木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶催化，木葡聚糖在原始的和新生成的細胞壁結(jié)構(gòu)間交聯(lián)使細胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)增加，但并未實現(xiàn)細胞壁擴張，D 過程由木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶催化，已有的細胞壁成分與新生成的細胞壁物質(zhì)交聯(lián)并引起細胞壁擴張。

4 XTH 在植物生長發(fā)育中的作用

4.1 根、莖、葉形態(tài)建成

近期研究發(fā)現(xiàn)XTH 家族基因在植物根、莖、葉的形態(tài)建成特別是伸長生長方面有重要作用。對白樺苗木根、莖和葉中XET 基因表達量進行sqRT-PCR 分析，發(fā)現(xiàn)生長中的莖比葉片組織表達水平高，說明XET 基因在白樺根、莖和葉3 種組織的細胞壁形態(tài)建成過程中發(fā)揮重要作用[1]。Chen，JR 等進行蒺藜苜蓿XET基因的RNAi 實驗表明，干擾該基因后影響根系的正常生長，根系明顯縮短，甚至不再生長。對擬南芥和煙草根中XET 活性研究發(fā)現(xiàn)，伸長區(qū)細胞XET 活性比非伸長區(qū)細胞XET 活性更高。在XET 活性與大麥葉伸長關系的研究中發(fā)現(xiàn)，用GA3 處理過的葉子的某些部位其XET 的mRNA 水平升高，生長速率明顯加快，說明GA3 通過提高XET 基因的轉(zhuǎn)錄水平促進葉部形態(tài)建成。Uozu 等在水稻中分離出四種與XET 有關的基因，發(fā)現(xiàn)OsXTRI 和OsXTR3 兩個基因能夠促進水稻節(jié)間伸長。上述研究提示XTH 活性與根、莖、葉的形態(tài)建成特別是伸長發(fā)育具有相關性，但也存在例外，可能XTH 不同成員之間存在功能上的歧化，對于各成員與根、莖、葉形態(tài)建成關系的詳細闡述需要進一步探究。

4.2 木質(zhì)部形成

XTH 活性與植物木質(zhì)部生長關系密切。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥木質(zhì)部的XET 表達量遠遠大于韌皮部，能夠促使木質(zhì)部細胞膨脹。對GA 的過表達轉(zhuǎn)基因植株檢測分析表明，XET 蛋白是提升木材形成速率的關鍵酶之一。在松樹的木質(zhì)部和初生組織中同樣發(fā)現(xiàn)了XET 的表達。上述研究提示XTH 蛋白可能參與了木質(zhì)部組織中木葡聚糖鏈的組裝，促進木質(zhì)部細胞壁結(jié)構(gòu)的形成。

4.3 果實發(fā)育

XTH 的活性還與一些果實生長發(fā)育、成熟、軟化有關。叢郁等[2]從成熟的砂梨果實中克隆獲得PpXTH 基因，其所表達的蛋白與獼猴桃AdXTH5、蘋果MdXTH11 等在果實成熟中表達的蛋白具有高度同源性，在果實軟化過程中表達量急劇增加。MAXET1 在香蕉果肉軟化過程中同樣起到重要作用，并且與果皮的硬度關系密切。上述發(fā)現(xiàn)提示XTH 在維持果實發(fā)育中細胞壁的完整性發(fā)揮重要作用，可能是XTH 不同成員間協(xié)同作用的結(jié)果。

4.4 植物抗逆性

近些年，XTH 活性與植物抗逆性的研究受到重視，主要集中在其耐鹽、耐旱性的研究。對用NaCl 處理后的群眾楊和胡楊XET 基因表達量進行microarray 分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)XET 基因在耐鹽的胡楊中表達量增加，而在不耐鹽的群眾楊中表達量下降，并通過RealtimePCR 進一步驗證了這個結(jié)果，胡楊peXET 基因轉(zhuǎn)入煙草，煙草植株耐鹽性明顯增強。SeokKeunCho 等研究發(fā)現(xiàn)辣椒XTH 同源基因pCaXTHI，PCaXTHZ 和PCaXTH3 響應干旱、低溫和高鹽等多種非生物脅迫，對擬南芥CaXTH3 基因過表達植株耐鹽性分析發(fā)現(xiàn)，過表達植株耐鹽性顯著增強，并在一定程度上增強了對水分缺失耐受性，同時伴有葉形的變化和葉肉細胞數(shù)目增多。厭氧條件下XET 基因在小麥根和芝麻中表達量也出現(xiàn)上調(diào)現(xiàn)象，并且與根皮層通氣組織形成具有同步性。上述發(fā)現(xiàn)提示逆境條件下XTH 可能在植物細胞壁的結(jié)構(gòu)修改中發(fā)揮作用，能夠改善植株結(jié)構(gòu)適應性，提高植株抗逆能力。

5 影響XTH 基因表達的因素

XTH 基因在組織器官中具有表達特異性，如擬南芥的AtXTH17、AtXTH18、AtXTH19 和AtXTH20 在根中表達，在根的伸長區(qū)、分化區(qū)、分生區(qū)及成熟區(qū)具有不同的組織特異性分布，而AtXTH1、AtXTH9 在長角果、莖尖的分生組織以及花枝、花芽中表達。油菜素內(nèi)酯能夠誘導BRU1 基因（XTH 基因家族成員）在豌豆胚軸中表達，促使維管和皮層細胞膨脹，同樣使鷹嘴豆XTH 同源基因表達增加，乙烯、丙烯和1-甲基環(huán)丙烯、生長素和赤霉素在調(diào)節(jié)細胞生長發(fā)育過程中也經(jīng)常選擇XTH 基因作為靶點。影響XTH 基因表達的環(huán)境信號如對擬南芥的觸摸等輕柔刺激可引起AtXTH22（TCH4）基因的表達增加，導致細胞遲緩伸長。自身重量也可能成為調(diào)控XTH 基因表達的機械性刺激，在擬南芥幼苗上綁縛鋁箔的增重刺激和水平放置植株的減重刺激，分別可以增加或抑制XTH 基因在莖的表達。可見XTH 基因家族成員響應多種植物激素和環(huán)境信號，提高植株環(huán)境適應性。

6 展望

細胞壁的重構(gòu)在植物生長、發(fā)育及響應環(huán)境脅迫過程中普遍存在，可導致細胞數(shù)量的增加和體積增大，XTH 家族在細胞壁重構(gòu)過程中扮演著重要角色。盡管通過酶的結(jié)構(gòu)-功能分析收集了許多有意義的證據(jù)，但是要完整了解XTH 家族的糖基轉(zhuǎn)移作用與水解作用的決定因素還需要進一步探究。進一步闡明需要按照不同種屬酶的生物化學特征，將活性定位到多種XTH 序列中并繼續(xù)進行蛋白質(zhì)工程研究。同時，XTH 家族基因?qū)χ参锟购?、抗鹽性的作用是一個有趣的科學發(fā)現(xiàn)，其抗逆性機制用已有的植物抗逆性理論無法解釋，針對這一問題進行分子生物學及生理生化研究將是植物抗逆性研究的新領域，具有非常重要的研究價值。上述問題的解決在改良植株抗逆特性方面具有很好的應用前景。