植物木質素合成調控及基因工程研究進展

曹彩榮

摘要 ? ?木質素作為植物次生細胞壁的重要組分，分布于輸導組織和木質化組織細胞壁中，不僅能提高細胞壁的隔水性和機械強度，而且在提高植物的抗病性、抗逆性方面也發揮著重要作用。本文從植物木質素的種類、合成調控、檢測方法和利用基因工程從源頭調控植物木質素含量等方面對植物木質素的研究現狀進行了概述，并基于轉基因技術的發展，對改變植物木質素組成的有效途徑進行了展望。

關鍵詞 ? ?植物木質素;合成調控;基因工程;研究進展

中圖分類號 ? ?Q556.2 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

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

作為植物次生細胞壁的重要組成之一，木質素在植物中的主要作用包括如下幾個方面：一是木質素會滲透到細胞壁骨架中，與大分子的纖維素與半纖維素有效融合，最終使植物細胞機械強度增加、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，木質素具有不可溶的特性，使得植物維管處的細胞壁具有疏水的特點，從而使植物內的水分與相關水溶礦物質能夠順利借助維管系統進行遠距離的輸送[3];三是木質素會融合到纖維素等物質中，使細胞壁骨架內形成一道有效屏障，防止各種病原菌入侵，從細胞層面提升植物的預防能力[4-6]?，F將植物木質素合成調控及基因工程研究進展綜述如下。

1 ? ?構成木質素結構的單體類型

組成木質素的單體類型有多種，包括芥子醇、香豆醇、松柏醇等，這些物質從屬于木質醇類，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鍵構建形成[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）木質素、松柏醇殘基型（guaiacyl G）木質素和丁香基型（syringyl S）木質素，這些木質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，木質素及相關類型所占的比重不同。以松柏醇聚合而生成的G型木質素為木質素主要構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過聚合作用形成的G-S型木質素為木質素主要部分的植物包括雙子葉植物，涵蓋3種木質醇單體，也就是H-G-S型木質素為木質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，根據上述表明，其木質素主要組成部分為第一類屬性[8]。在自然界中，每種植物都有木質素，但是木質素的結構與植物品種相關。即使同一物種，在不同階段內，植物體內的結構也不一致，造成這種原因是體內的單體發生了改變[9]。事實上，除了以上幾種木質素單體之外，還有其他類型的木質素單體形式[10]。

2 ? ?木質素合成調控

2.1 ? ?木質素的合成

已有研究表明，生物體內形成層木質素必然會經過莽草酸途徑、類苯丙酸途徑和特異途徑。第一步需要植物的外界轉換，植物在陽光照射下，將體內的葡萄糖轉化為各種氨基酸，形成的氨基酸中包括莽草酸，莽草酸是植物體內需轉化的必要過程[11];第二步便是將第一步產生的酸進行脫氨基處理，莽草酸分子中的氨基在相關酶的催化作用下，形成羥基肉桂酸類化合物;第三步將上一環節生成的HCAs及HCA-CoA物質進行還原，還原物質在相關酶催化作用下形成木質素單體結構，該單體結構具有很強的親和力，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鍵作用，所以在對木質素合成進行研究的過程中，應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[14];而木質素的特異性與阿魏酸5-羥基化酶（ferulate 5-hydroxylase，F5H）、咖啡酸/5-羥基阿魏酸O-甲基轉移酶（caffeicacid-5-O-methyltransfena se，COMT）和咖啡酰輔酶A/5-羥基阿魏酰輔酶A-O-甲基轉移酶（caffeoyl-Co A 5-O- methyltransfenase，CCoAOMT）這3種酶有著莫大的關系，其對單體木質素結構中的比重產生關鍵性的作用[15]。

2.1.1 ? ?PAL。PAL處在類苯丙酸途徑的起始位置，不僅與木質素合成途徑相關，還與香豆酸酯類和類黃酮等次生物質的生成直接相關，因而PAL為木質素生成的限速環節之一。然而有關該方面的抑制研究表明，轉基因植物進行木質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答響應機制產生抑制作用[16]。

2.1.2 ? ?C4H。C4H為加氧酶的一種，從整個木質素合成過程來看，其處于PAL后，能夠對肉桂酸起到催化作用使之成為香豆酸，也就是木質素單體的前體。當前，人們公認苯丙氨酸只有通過PAL和C4H才能夠轉為香豆酸;然而與PAL一樣，C4H的合成與多個因素有關，其中包括木質素單體酶的代謝，將羥基進行脫水分離，合成相關碳水化合物。C4H的合成還與木質素有一定的關聯，木質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生任何變化;然而木質素單體S/G的比值卻發生了變化，木質素單體中S的含量有所下降，木質素單體G也許會借助其他路徑來實現補償或者C4H與其他酶生成復合酶從而獲得木質素單體S[17]。

2.1.3 ? ?4CL。4CL能夠對不同的底物產生催化作用，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，其為獲得不同木質素單體的關鍵所在，起到非常重要的控制作用。當前，很多植物內都發現了4CL這一物質，并得到了克隆驗證。對這類物質進行抑制能夠緩解轉基因植物中因木質素含量高而導致的生長過快問題，這一點與木質素含量對生物機體產生纖維素含量的影響相關。

2.1.4 ? ?F5H。F5H為S型木質素合成的唯一環節，對于缺失F5H的植物材料其木質素為G型木質素，F5H能夠有效地提升S型木質素的含量，使得S/G的比值上升。有關F5H表達的研究成果顯示，F5H帶有的微粒體重在莖桿的木質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活性會使轉基因植物內的S型木質素出現減少的情況，這表明COMT借助對S型木質素前體的合成從而控制S型木質素。除此之外，COMT的表達還帶有時空特異性，存在于植物木質部中，但是在葉中卻難以檢測到COMT。

2.1.6 ? ?CCoAOMT。CCoAOMT借助對咖啡酰CoA轉化成阿魏酰CoA的控制來實現植物木質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型木質素與G型木質素的合成出現抑制現象，且對G型木質素的抑制作用更為顯著，從而實現對S/G比值的控制。因此，CCoAOMT主要是G型木質素的調控因子。與4CL、F5H和COMT一樣，CCoAOMT主要存在于植物的木質部。

2.2 ? ?木質素的調控

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

MYB類轉錄因子已經在擬南芥中被驗證有參與調控植物木質素，如R2R3型與LIM[18]等借助和結合參于苯丙烷途徑的基因融合，如PAL、C4H、4CL、C3H、CCoAOMT、CCR和CAD等通過對子區中存在的AC元件[19]進行啟動從而實現調控，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行融合的過程中，該轉錄因子的結合能夠控制苯丙烷的代謝[21-22]。另外，MYB類轉錄因子在轉錄過程中，會根據苯丙烷的代謝情況，對具有木質素基因進行讀取。如在PAL讀取過程中，會將轉錄因子中的基因進行記憶，完成木質素基因讀取的過程。

NAC類轉錄因子能夠借助控制MYB類轉錄因子的結合，從而控制木質素的生物合成[23]，因為從整個木質素調控網絡來看，NAC處于上游區域，借助NAC調控會出現諸多不確定的情況。當前，模式植物擬南芥中克隆已經驗證了部分NAC類轉錄因子參與木質素合成的調控[6]。

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

3 ? ?木質素的測定方法

目前，常用的檢測分析木質素的方法有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，木質素合成調控方面的基因可以實現準確定位，并對此展開多方面的分析，如序列差異化、多態性、啟動子等，在基因組編輯技術的作用下[31]展開定向誘變，這樣能夠有效地杜絕植物出現同源抑制的現象，從而獲得抗病、抗倒伏能力更強的植物。

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