XTH家族基因在植物生長(zhǎng)發(fā)育及脅迫響應(yīng)中的研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：細(xì)胞壁修飾酶；木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶/水解酶（XTH）；生長(zhǎng)發(fā)育；脅迫響應(yīng)

植物細(xì)胞壁是植物細(xì)胞所特有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，主要由纖維素、半纖維素、果膠等組成，通常還含有糖蛋白和木質(zhì)素［1］。除禾本科外，木葡聚糖是構(gòu)成植物細(xì)胞初生細(xì)胞壁的最主要的半纖維素［2］。經(jīng)典的植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)模型表明，木葡聚糖鏈將纖維素微纖維拴在一起，果膠等充斥在纖維素-木葡聚糖網(wǎng)絡(luò)［3］。這種結(jié)構(gòu)使得細(xì)胞壁具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)延展性，既起到支撐和保護(hù)細(xì)胞的作用，又能滿足細(xì)胞的生長(zhǎng)。

植物木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶/水解酶（XTH）具有催化斷裂和再連接木葡聚糖-纖維素交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的功能，被認(rèn)為是控制細(xì)胞壁蠕變的間接松動(dòng)劑，催化木葡聚糖的切割和重新連接從而完成細(xì)胞壁的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，調(diào)控細(xì)胞壁的松弛與強(qiáng)化［4，5］。研究表明，XTHs參與細(xì)胞伸長(zhǎng)、開花過程、果實(shí)成熟軟化及逆境脅迫等植物生長(zhǎng)的許多方面，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。本綜述主要討論了XTH家族基因在植物生長(zhǎng)發(fā)育及其在脅迫響應(yīng)中的作用。

1 XTH的特點(diǎn)與分類

植物細(xì)胞具有多種糖基水解酶（GH），在模式植物擬南芥中，依據(jù)CAZy命名法對(duì)糖基水解酶家族進(jìn)行分類，共有29個(gè)糖基水解酶家族，其中包括GH16在內(nèi)的13個(gè)糖基水解酶家族參與植物細(xì)胞壁的組裝［6］。GH16根據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域中的氨基酸序列相似性又分為23個(gè)亞家族，植物XTH是GH16的亞家族之一，即GH16_20［7］。XTH主要以木葡聚糖為底物，其轉(zhuǎn)糖基酶（XET）活性可以切割木葡聚糖并將新的還原端連接到另一個(gè)木葡聚糖的非還原端；此外，XTH還具有水解酶（XEH）活性，能水解木葡聚糖［8，9］，但XET被認(rèn)為是XTH的主要活性［10］。研究表明，XTHs的保守的DEIDFEFLG結(jié)構(gòu)域?qū)ζ浒l(fā)揮催化功能是必須的，且其附近有N-連接的糖基化位點(diǎn)［11，12］。然而，在水稻中的部分XTHs沒有發(fā)現(xiàn)糖基化位點(diǎn)［13］。

至今為止，已經(jīng)在許多不同的物種中鑒定出了XTH基因家族，不同物種所含有XTHs的數(shù)量不同。如在單子葉植物中，水稻（Oryzasativa）［13］、小麥（Triticumaestivum）［14］和鳳梨（Ananascomosus）［15］分別有29、71和24個(gè)XTHs基因；而在雙子葉植物中，如擬南芥（Arabidopsisthaliana）［16］、楊樹（Populuscathayana）［17］和番薯（Ipomoeabatatas（L.）Lam）［18］分別有33、38和36個(gè)XTHs基因。XTH基因家族根據(jù)序列的相似性分為3類，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類［19］。其中，第Ⅲ類又可細(xì)分為可以分為ⅢA類和ⅢB類［20］。然而，在某些物種如水稻中，Ⅰ類和Ⅱ類的差異并不明顯，但Ⅲ類與Ⅰ類和Ⅱ類之間存在較大差異，因此劃分為Ⅰ/Ⅱ類和Ⅲ類［13］。同樣，在番薯中Ⅰ和Ⅱ類差別不明顯，在系統(tǒng)發(fā)育分析中聚類成一個(gè)Ⅰ/Ⅱ亞家族［18］。此外，不同的亞家族成員具有不同的酶活性，Ⅰ、Ⅱ和ⅢB類有內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶活性，而ⅢA類有水解酶活性［11，19，20］。在模式植物擬南芥中，除少數(shù)成員外，Ⅰ類和Ⅲ類大多數(shù)成員有4個(gè)外顯子，Ⅱ類大多數(shù)成員有3個(gè)外顯子［19］。在其他多數(shù)物種的多數(shù)基因中含有3-4個(gè)外顯子，如水稻、小麥、苧麻和甘薯等［13，14，18，21］。

2 XTHs參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育

2.1 XTHs促進(jìn)植物的生長(zhǎng)

許多研究表明XTHs參與調(diào)控根、莖和葉的生長(zhǎng)發(fā)育。其中，對(duì)根系生長(zhǎng)的調(diào)控作用包括主根、側(cè)根、不定根等。擬南芥xth22突變體表現(xiàn)出生長(zhǎng)遲緩的表型，相較于野生型其主根長(zhǎng)變短，側(cè)根數(shù)目明顯減少，然而將甜菜（BetavulgarisL.）BvXTH17轉(zhuǎn)入擬南芥xth22突變體，增加了其主根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)等，減輕了xth22突變體的生長(zhǎng)抑制［22］。此外，過表達(dá)BvXTH8的轉(zhuǎn)基因擬南芥表現(xiàn)出更高的XTH活性，其主根長(zhǎng)及鮮重高于野生型［23］。Xu等人觀察到擬南芥xth19xth23雙突變體也表現(xiàn)出了主根長(zhǎng)減小和側(cè)根數(shù)減少的表型，但過表達(dá)XTH19和過表達(dá)XTH23的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株表現(xiàn)出正常的表型，說明XTH19和XTH23在擬南芥根系的生長(zhǎng)過程中起著重要作用［24］。在萬壽菊（TageteserectaL‘.Marvel’）中，2，4-表油菜素內(nèi)酯處理能夠提高XTH的活性，且促進(jìn)了不定根的發(fā)生［25］。

植物通過避蔭反應(yīng)來適應(yīng)紅光/遠(yuǎn)紅光比值的降低，XTHs參與其中，其相關(guān)表現(xiàn)主要有莖和葉柄的伸長(zhǎng)等。如在擬南芥中，XTH15和XTH17基因敲除突變體在綠蔭和低紅光/遠(yuǎn)紅光下的葉柄伸長(zhǎng)速率與野生型相比降低［26］。此外，皮質(zhì)微管的動(dòng)力學(xué)變化可以通過控制生長(zhǎng)素的重新分布來促進(jìn)XTH17和XTH19的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)遮蔭下擬南芥葉柄的伸長(zhǎng)［27］。Sharma進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)XTH17也參與到莖的伸長(zhǎng)過程中，其表達(dá)能被轉(zhuǎn)錄因子HY5和HYH抑制進(jìn)而抑制莖的伸長(zhǎng)［28］。近幾年的研究表明XTHs對(duì)下胚軸的伸長(zhǎng)也起著重要作用。如轉(zhuǎn)錄因子SHR、WOX2和WOX4都能夠調(diào)控?cái)M南芥相關(guān)XTHs的表達(dá)進(jìn)而參與下胚軸的伸長(zhǎng)［29，30］。

2.2 XTHs參與調(diào)控植物開花與花瓣脫落

目前，XTHs調(diào)控植物開花與脫落的研究主要集中在觀賞植物上，從花蕾生長(zhǎng)到花瓣開放與閉合再到花瓣脫落均受到XTHs的調(diào)控且受到多種因素的影響。在百合（Lilium‘Sorbonne’）中，LhXTH1轉(zhuǎn)錄水平在花蕾的生長(zhǎng)過程中呈上升趨勢(shì)，至花朵開放相對(duì)表達(dá)量達(dá)到最高，而后在花瓣完全開放時(shí)相對(duì)表達(dá)量又下降，說明LhXTH1在百合花蕾的生長(zhǎng)伸長(zhǎng)過程中起著重要的作用［31］。在牽?；ǎ≒harbifisnil）花瓣中，InXTH2、InXTH3和InXTH4的相對(duì)轉(zhuǎn)錄本豐度在4h黑暗處理后保持在較低水平，在8h黑暗處理后顯著上調(diào)，但在持續(xù)的光照條件下始終保持在較低水平，這表明暗期長(zhǎng)短通過影響XTHs的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控花瓣的閉合和開放的轉(zhuǎn)化［32］。此外，丹桂（Osmanthusfragrans）的開放主要受環(huán)境溫度的影響，19℃會(huì)促進(jìn)其開花而23℃會(huì)抑制其開花，作者發(fā)現(xiàn)包括OfXTH24在內(nèi)的5個(gè)XTHs被低溫（19℃）誘導(dǎo)，表達(dá)量顯著提高，促進(jìn)了花的開放［33］。除參與花器官的生長(zhǎng)與開放外，XTHs也參與花瓣的脫落過程。如高劑量乙烯處理使RbXTH1和RbXTH2在玫瑰（Rosabourboniana）花瓣中表達(dá)水平顯著提高，加速了花瓣的脫落［34］。

2.3 XTHs調(diào)控果實(shí)的成熟軟化

在許多植物中發(fā)現(xiàn)XTHs參與果實(shí)成熟軟化過程的調(diào)控。多數(shù)研究表明，XTHs能夠降低果實(shí)的硬度，加快果實(shí)的成熟和軟化。如在甜櫻桃（PrunusaviumL.）果實(shí)中瞬時(shí)表達(dá)PavXTH14、PavXTH15和在蘋果（Maluspumila）中瞬時(shí)過表達(dá)MdXTHB都顯著降低了果實(shí)的硬度，加快了果實(shí)的成熟軟化［35，36］。此外，基因敲除試驗(yàn)也能夠充分證明XTHs在促進(jìn)果實(shí)成熟軟化中的作用。在番茄（Solanumlycopersicum）中，SlXTH5敲除突變體中，果實(shí)硬度略大于野生型，且果皮顏色指數(shù)顯著下降［37］。然而，有研究表明XTH也具有延緩果實(shí)的成熟的作用。如DkXTH1轉(zhuǎn)基因番茄果實(shí)采收后的顏色由綠變黃再變紅的過程相較野生型出現(xiàn)延遲，且轉(zhuǎn)基因番茄的硬度下降比野生型慢，說明DkXTH1能夠延緩果實(shí)的成熟［38］。

在XTHs參與調(diào)控果實(shí)成熟軟化的過程中，植物激素和轉(zhuǎn)錄因子也參與其中。如乙烯能促進(jìn)海巴戟果實(shí)的成熟，其成熟過程中McXTH的表達(dá)量與乙烯釋放量呈正相關(guān)，均呈上升趨勢(shì)［39］。除乙烯外，一定濃度的脫落酸和茉莉酸甲酯的處理使得PavXTH15表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而促進(jìn)了甜櫻桃果實(shí)的成熟與軟化［35］。此外，轉(zhuǎn)錄因子也能調(diào)控XTHs的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控果實(shí)的成熟和軟化。如轉(zhuǎn)錄因子AcNAC1和AcNAC2能夠激活A(yù)cXTH1和AcXTH2的表達(dá)進(jìn)而參與獼猴桃（Actinidiachinensis）的成熟和軟化［40］。

3 XTHs參與植物脅迫響應(yīng)

已鑒定到不同的XTHs基因參與植物水分脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、溫度脅迫等逆境脅迫響應(yīng)，通過調(diào)整細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同的外界環(huán)境［41］。

3.1 XTHs參與水分脅迫

水分脅迫主要分為干旱和水淹兩種，植物可以通過調(diào)節(jié)XTHs的表達(dá)參與緩解這兩種水分脅迫。研究表明，干旱脅迫下，耐旱水稻和旱敏感水稻品種中OsXTH5和OsXTH19表達(dá)上調(diào)，但耐旱水稻的基因表達(dá)水平更高。在復(fù)水后，OsXTH19表達(dá)量減少，而OsXTH5表達(dá)量增加，表明它們參與緩解干旱脅迫［42］。此外，小麥TaXTH12.5a轉(zhuǎn)基因擬南芥在干旱脅迫下的根與下胚軸更長(zhǎng)且表現(xiàn)出更高的萌發(fā)率，同樣，TaXTH-7A轉(zhuǎn)基因擬南芥在干旱脅迫下也表現(xiàn)出更高的存活率，表明部分的小麥XTH基因在能夠增強(qiáng)擬南芥的抗旱性［14，43］。除干旱外，在水淹處理下，大豆（Liriodendronchinense）的AtXTH31異源表達(dá)植株相較于野生型植株表現(xiàn)出更長(zhǎng)的根下胚軸，對(duì)水淹脅迫的耐受性提高［44］。

3.2 XTHs參與鹽脅迫

XTHs能夠參與鹽脅迫，且其在耐鹽植物的耐鹽性中發(fā)揮重要作用。在鹽脅迫下，葡萄（VitisviniferaL.）根中11個(gè)VvXTHs基因表達(dá)上調(diào)［45］，鹽角草（SalicorniaeuropaeaL.）根和莖中的多個(gè)SeXTHs基因也呈正表達(dá)［46］。然而，在黑果枸杞（Lyciumruthenicum）的根部組織中，除LrXTH3、LrXTH9、LrXTH18和LrXTH19在鹽脅迫下上調(diào)外；LrXTH5和LrXTH8有較明顯的下降趨勢(shì)，表明多個(gè)XTHs基因參與到了鹽脅迫響應(yīng)的過程中并起著不同的作用［47］。此外，Xu等人發(fā)現(xiàn)油菜素甾醇能夠通過轉(zhuǎn)錄因子BES1調(diào)控AtXTH23和AtXTH19的表達(dá)從而保證鹽脅迫下的擬南芥?zhèn)雀陌l(fā)生進(jìn)而緩解鹽脅迫［24］。

3.3 XTHs參與金屬離子的脅迫

有關(guān)XTHs參與金屬離子脅迫的研究主要集中在鋁和鎘上。擬南芥xth31突變體的根系相較野生型更短，突變體中XTH31積累較少，使得木葡聚糖含量較低，因而形成較少的鋁-木聚糖復(fù)合物，減少了鋁在根部和細(xì)胞壁中的積累，緩解了鋁脅迫［48］。xth17突變體與xth31突變體表型相似，半纖維素含量較低，細(xì)胞壁中積累的鋁也較少，且XTH17和XTH31可以在體內(nèi)與體外結(jié)合，說明XTH17與XTH31可能以二聚體形式存在，通過調(diào)節(jié)半纖維素含量和鋁的結(jié)合能力來影響擬南芥對(duì)鋁的敏感性［49］。此外，Tao等人發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子ANAC017能夠激活A(yù)tXTH31的表達(dá)，而ANAC017功能缺失會(huì)增強(qiáng)對(duì)鋁的耐受性，同時(shí)根和根細(xì)胞壁中鋁的積累也會(huì)減少，進(jìn)一步印證了XTH31能夠影響擬南芥對(duì)鋁的敏感性［50］。然而，鋁脅迫下，過表達(dá)玉米ZmXTH的擬南芥轉(zhuǎn)基因植株的根更長(zhǎng)，根部和細(xì)胞壁中鋁的積累更少，說明了XTH在緩解鋁脅迫上也起著一定作用，但可能與上述擬南芥突變體應(yīng)對(duì)鋁脅迫的機(jī)制不同［51］。此外，褪黑素處理能部分恢復(fù)鋁脅迫引起的細(xì)胞增大和不規(guī)則形狀，使苜蓿根細(xì)胞排列相對(duì)緊湊，在基因水平上，褪黑素處理上調(diào)了XTH基因的表達(dá)，這表明褪黑激素有可能通過增強(qiáng)鋁與細(xì)胞壁的結(jié)合等機(jī)制減輕鋁的毒性［52］。

在苧麻（Boehmerianivea）中，大多數(shù)BnXTHs基因響應(yīng)鎘脅迫，其中BnXTH1、BnXTH3、BnXTH6和BnXTH15表達(dá)量顯著增加，且BnXTH1、BnXTH6和BnXTH15的轉(zhuǎn)基因酵母細(xì)胞提高了對(duì)鎘脅迫的耐受性［21］。Ma等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，鎘會(huì)誘導(dǎo)茉莉酸甲酯的積累從而激活BnXTH1的表達(dá)，而在苧麻中過表達(dá)BnXTH1顯著增高了半纖維素的含量，促進(jìn)了鎘與半纖維素的結(jié)合，減少了鎘在細(xì)胞內(nèi)的積累，緩解了鎘的脅迫［53］。而過表達(dá)楊樹PeXTH的煙草雖然也提高了對(duì)鎘的耐受性，但提高了木葡聚糖降解活性，根細(xì)胞的細(xì)胞壁中木葡聚糖含量降低，鎘離子的結(jié)合位點(diǎn)減少從而減少了鎘的攝入和積累，緩解了鎘對(duì)轉(zhuǎn)基因煙草的毒害作用［54］。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)鎘處理下耐鎘的擬南芥生態(tài)型與對(duì)鎘敏感的擬南芥生態(tài)型相比，其XTH表達(dá)水平低，但半纖維素含量高，其可能與鎘結(jié)合從而減少了鎘的流入和積累［55］。由此可見，雖然XTHs參與到植物緩解鎘脅迫的過程中，但是其具體的調(diào)控方式并不相同。

3.4 XTHs參與生物脅迫

研究表明，不同植物的某些病害的病害程度與XTH表達(dá)水平有關(guān)。如過表達(dá)CsXTH04使柑橘（Citrussinensis）更容易感染柑橘細(xì)菌潰瘍病，而沉默CsXTH04使柑橘的抗細(xì)菌潰瘍病的能力增強(qiáng)［56］。此外，在大豆中GmXTH43能夠抑制大豆包囊線蟲的寄生，且其表達(dá)水平受到GmCCA1-1表達(dá)水平的影響，呈正相關(guān)關(guān)系［58］。Niraula進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GmXTH43轉(zhuǎn)基因陸地棉（Gossypiumhirsutum）增強(qiáng)了對(duì)南方根結(jié)線蟲（Meloidogyneincognita）的抵抗性［57］，由此表明GmXTH43在植物抵御線蟲寄生過程中起著重要作用。

4 總結(jié)與展望

植物細(xì)胞的生長(zhǎng)離不開細(xì)胞壁的擴(kuò)大，木葡聚糖作為構(gòu)成植物細(xì)胞壁的最主要的半纖維素一直受到廣泛的關(guān)注。近年來，有關(guān)XTH基因家族的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，已經(jīng)在許多物種中鑒定出了XTH基因家族成員并且對(duì)其中一些家族成員進(jìn)行了生物信息學(xué)與功能分析，發(fā)現(xiàn)其廣泛參與根、莖和葉等生長(zhǎng)和開花以及果實(shí)的成熟等植物的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫等諸多生命活動(dòng)。這些研究讓人們對(duì)XTH對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和適應(yīng)逆境脅迫的作用有了更深的認(rèn)識(shí)和理解。然而，仍有許多問題有待探索：1）目前有關(guān)于XTHs的研究還集中在個(gè)別基因家族成員的功能研究，而對(duì)其上游調(diào)節(jié)因子以及下游靶基因的研究較少，還有待深入研究。2）盡管有關(guān)研究已表明XTHs參與植物多種生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)，能夠響應(yīng)多種植物激素的處理，且也與相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子相互作用進(jìn)而調(diào)節(jié)植物生命活動(dòng)，但是其具體的作用的分子機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還并不清楚。3）研究表明，XTHs參與植物開花過程的調(diào)控、果實(shí)的成熟軟化，還具有提高嫁接成活率的作用等［17］。因此，深入研究XTH基因家族的生理功能與調(diào)控機(jī)制有助于對(duì)作物進(jìn)行性狀改良，培育優(yōu)新品種。