十字花科植物蠟質形成特性及分子機制研究進展

陸偉杰，鄭偉尉，吳硯農，臧運祥

（浙江農林大學 農業與食品科學學院 浙江省農產品品質改良技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311300）

十字花科Brassicaceae植物主產北溫帶，約375屬3 200種。在中國主要集中于西南、西北、東北高山以及丘陵地區[1]，其中蘿卜屬Raphanus與蕓薹屬Brassica植物是中國最重要的蔬菜與油料作物，該科部分種類還可作為藥用、觀賞用、染料用或食用[2]。植物表皮蠟質是覆蓋在陸生植物地上部器官表面的脂質成分，也存在于木栓的基質、愈傷組織、花粉粒以及種皮中[3]，其疏水結構在植物表面起極其重要的防衛功能，在植物與周圍環境的相互作用中發揮著重要作用[4]。本研究從十字花科植物蠟質類型、結構、成分、含量、功能、遺傳特性、合成與轉運途徑、分子機制等方面進行綜述，為十字花科植物的蠟質代謝研究提供參考。

1 十字花科植物蠟質的類型及其功能

1.1 十字花科植物蠟質的形態和成分

1.1.1 蠟質的形態結構 十字花科植物的蠟質呈片狀、柱狀和網狀等26種形態類型，不同種類植物的蠟質形態不同[5]。徐秀萍等[6]采用掃描電鏡(SEM)觀察擬南芥Arabidopsis thaliana表皮蠟質，發現主要呈桿狀，少量呈片狀、管狀、碟狀和傘狀。李紅蓮[7]發現：紅菜薹Brassica campestris表皮蠟質為片狀和網狀構成的不規則三維結構。李帥等[8]發現：甘藍型油菜‘中雙11’Brassica napus‘Zhongshuang 11’葉表皮蠟質結構主要為桿狀和顆粒狀(小片狀)。牟香麗等[9]發現：不同生長時期甘藍Brassica oleraceavar.capitata表皮蠟質呈現不同結構，苗期大多為顆粒狀、片狀和針狀，結球期則較多為圓柱狀和片狀，成熟期以片狀和針狀為主。張曦[10]發現白菜Brassica pekinensis成熟葉片蠟質大多呈現出棒狀且前端有圓形突起。

1.1.2 蠟質的化學成分 十字花科植物蠟質主要為超長鏈脂肪酸及其衍生物，包括烷烴、脂肪酸、醇、醛、酮的同系物，偶爾會出現環狀化合物，如甾醇或三萜類化合物等[11]。蠟質通常使用三氯甲烷、正己烷等有機溶劑提取，采用氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)技術鑒定成分[12]。植物表皮蠟質各成分占比不同。如白菜[10]成熟葉片蠟質的主要成分中酮類占1.02%，醇類占8.33%，烷烴占55.09%，酯類占26.34%。不同種類植物的表皮蠟質成分含量也存在差異[13]。如甘藍型油菜‘中雙11’葉[8]表皮蠟質成分中烷烴為 8.24 μg·cm?2，次級醇為 1.72 μg·cm?2，酮為 1.62 μg·cm?2，初級醇為 0.57 μg·cm?2，脂肪酸為0.10 μg·cm?2，醛為 0.79 μg·cm?2，未知成分為 9.33 μg·cm?2，總量為 22.37 μg·cm?2；擬南芥[14]莖稈的表皮蠟質中初級醇為 0.58 μg·cm?2，脂肪酸為 0.10 μg·cm?2，醛為 1.90 μg·cm?2，烷烴為 13.13 μg·cm?2，次級醇為 3.83 μg·cm?2，酮為 5.95 μg·cm?2，總含量為 28.99 μg·cm?2。而普通白菜自交不親和系 13S106[15]葉片的蠟質成分中烷烴為 13.60 μg·cm?2，醛為 0.90 μg·cm?2，醇為 3.20 μg·cm?2，酮為 8.30 μg·cm?2，脂肪酸為1.20 μg·cm?2，蠟酯為2.40 μg·cm?2。在上述不同十字花科物種中，蠟質主要成分均為烷烴，次要成分則有所不同。

1.2 十字花科植物蠟質的功能

十字花科植物表皮蠟質在維持水分平衡、反射紫外線、減少外來機械損傷、降低低溫傷害、抵御細菌真菌入侵、防止昆蟲侵食等抵抗生物與非生物脅迫中起著重要作用[16]，同時兼具影響葉片和果實著色、防止果實開裂和植株育性等生理功能[17]。

1.2.1 抗低溫脅迫 低溫脅迫易引起植物酶活性降低、細胞膜結構改變、細胞失水、代謝紊亂等，對植物生長發育造成多種負面影響[18]。倪郁等[19]發現：4 ℃低溫脅迫下擬南芥生長發育緩慢、葉色變深，蠟質晶體的分布密度、大小、形態等發生改變。唐帥等[20]發現：4 ℃低溫脅迫下擬南芥葉片表皮蠟質成分增加，烷烴、脂肪酸、醛、初級醇和酮相對含量分別增加54.34%、29.61%、54.40%、24.07%和137.80%；熒光定量聚合酶鏈式反應(PCR)檢測顯示蠟質相關基因的表達水平顯著提高，說明擬南芥通過提高蠟質含量來緩解低溫脅迫，預防低溫對植物內部組織的傷害。

1.2.2 抗紫外線脅迫 紫外線中UV-B波長為280～315 nm，可對植物表面造成損傷。PRUDNIKOVA等[21]發現：過量UV-B處理會造成植株干質量降低，葉面積減小，凈光合速率下降及花期變短等。宋超[14]發現：UV-B脅迫下擬南芥蠟質相對含量明顯增加，蠟質相關基因CER3、CER4、KCS1表達量顯著提高，其中CER4基因的相對表達增加了13.80倍，CER1和WIN1表達量降低。此外，UV-B脅迫下擬南芥蠟質晶體結構發生熔融，晶體由桿狀變成片狀，蠟質覆蓋面積增加，蒸騰作用減少，從而達到反射更多紫外線的效果。

1.2.3 抗干旱脅迫 植物蠟質作為疏水屏障，在限制非氣孔水分散失中扮演重要角色[22?23]。柴凌燕[24]發現：擬南芥過量表達蠟質相關轉錄因子WIN1可提高蠟質合成量，調節表皮滲透性，增強植株耐旱性。Lü等[25]發現：擬南芥CER9編碼一種與植物抗旱性相關的決定因子，該因子缺失可以增加蠟質合成，阻塞更多的氣孔，抑制蒸騰作用。周燕等[26]發現：甘藍型油菜中BnWIN2C01的特異性表達影響了葉片蠟質合成，從而影響植株水分平衡。

1.2.4 抗敗育 花粉發育異常會導致植株減產或雜交不育，蠟質是花粉表面含油層的重要成分，在植物生殖發育方面發揮重要作用。KOCH等[27]發現：蠟質不僅影響植物葉片和果實的形態、發育，還影響植株花粉的發育情況。劉艷艷等[28]發現：FAX1基因缺失會抑制擬南芥營養生長，造成植株矮小、莖纖細、花粉稀少、角果短小等，同時還影響花粉壁的發育與花粉的育性，進而影響授粉過程。徐法青[29]發現：擬南芥CER3基因參與花粉脂質的合成或轉運，該脂質的缺失會影響花粉與柱頭的識別，阻斷水合作用，最終導致雄性不育。

1.2.5 抗病蟲害 蠟質可以減少葉片表面水分，減少病菌停留和降低病菌入侵。JU等[30]發現：蠟質的晶體結構可促使水分形成水滴以便滑落，并帶走葉片表面的灰塵、污染物和病菌等。SURVILA等[31]發現：相較于正常植株，擬南芥蠟質缺失植株表面細菌更多，更易發生病害。蠟質在植物抵抗蟲害方面也起著重要作用，它可通過光的反射，改變植物表現出的顏色，影響昆蟲視覺，減少昆蟲取食和產卵。BOHINC等[32]以8種基因型甘藍為對象進行田間試驗，發現蠟質對甘藍跳甲Phyllotretaspp.和菜椿Eurydemaspp.的生存有抑制作用，且蠟質含量越高，植株上甘藍跳甲和菜椿越少。

2 十字花科植物蠟質遺傳特性

十字花科植物蠟質缺失表型明顯，表面無蠟質覆蓋的植株呈現葉色亮綠等性狀，包括單基因隱性遺傳、單基因顯性遺傳和雙基因隱性遺傳等3種遺傳特性。

2.1 單基因隱性遺傳

ANSTEY等[33]在青花菜Brassica oleraceavar.italica中發現了十字花科植物中第1個符合單基因隱性遺傳規律的蠟質缺失突變體。劉澤洲等[34]發現：甘藍蠟粉缺失突變體10Q-961符合單基因隱性遺傳規律。李紅蓮等[7]對無蠟質紅菜薹與有蠟質紅菜薹雜交建立6世代群體并進行研究，發現蠟質缺失突變體符合隱性遺傳規律。王燦潔等[15]發現紅菜薹自交系13S106蠟質缺失性狀受隱性單基因控制。

2.2 單基因顯性遺傳

蒲媛媛等[35]發現：甘藍型油菜光葉突變體GL的蠟質缺失性狀受單個顯性基因控制。劉東明[36]發現：甘藍10Q-974亮綠性狀符合單基因顯性遺傳規律，突變基因BoGL1位于8號染色體177 kb的區間內，與基因Bol018504的表達相關。

2.3 雙基因隱性遺傳

周熙榮等[37]發現：甘藍型油菜雜交F2中出現少數蠟質缺失的植株，其無蠟質性狀由2對隱性基因控制。莫鑒國等[38]對加拿大引進的無蠟質甘藍型油菜種質材料‘Nilla’進行研究，發現其蠟質缺失性狀也是受2對隱性基因控制。

3 十字花科植物蠟質合成分子機制

3.1 蠟質合成途徑

十字花科植物蠟質合成C16～C18脂肪酸合成、C20～C34超長鏈脂肪酸合成、超長鏈脂肪酸衍生物合成等3個途徑(圖1)。合成相關酶如表1所示。

圖1 擬南芥蠟質生物合成途徑[11]Figure 1 Wax biosynthesis pathway in Arabidopsis thaliana

3.1.1 C16～C18脂肪酸合成 C16～C18脂肪酸在質體中合成，初始反應物乙酰輔酶A在乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和脂肪酸合成酶的作用下，以每次增加2個碳原子的方式延長碳鏈，形成C16～C18的?；d體蛋白[39]，然后在?；d體蛋白硫酯酶(FAT)作用下水解生成C16～C18脂肪酸[40]。脂肪酸經長鏈?；枷〢合成酶(LACS)催化后以脂肪酰輔酶A的形式進入內質網中[41]，進行下一步反應。ZHAO等[42]發現：擬南芥的9個LACS基因中，LACS1和LACS2參與蠟質的合成。Lü等[43]和JESSEN等[44]進一步發現：LACS1和LACS4參與花粉外被長鏈脂肪酸的合成。

3.1.2 C20～C34超長鏈脂肪酸合成 C20～C34超長鏈脂肪酸合成場所是內質網。C16～C18脂肪酰輔酶A與丙二酰輔酶A通過脂肪酸延伸酶復合物(FAE)進行合成，每次循環增加2個碳原子，多次循環延伸碳鏈，最終形成C20～C34超長鏈脂肪酸，其中丙二酰輔酶A由乙酰輔酶A于細胞質中經過乙酰輔酶A羧化酶催化形成。該反應中的FAE屬于多酶復合體，包括β-酮酰輔酶A合成酶(KCS)，β-酮酰輔酶A還原酶(KCR)，反式烯酰輔酶A還原酶(ECR)和β-羥酰-?；o酶A脫水酶(HCD)4種酶，其中KCS是該反應的關鍵酶，對反應底物具有特異性。QUIST等[45]發現：擬南芥KCS基因分為FAE1類和ELO類，前者包含FAE1、CER6、KCS1和FDH等4個亞組，而ELO類基因功能還未見報道。SUH等[46]發現：擬南芥與蠟質相關的基因有KCS1、KCS2、KCS13、KCS10、KCS20和CER6等；擬南芥中的KCR基因有KCR1和KCR2等2種，KCR1沒有功能，KCR2參與超長鏈脂肪酸的合成。ZHAO等[47]發現：相比野生型，cer10突變體器官小，蠟質少；CER10基因在表皮和種子中有ECR功能活性，參與超長鏈脂肪酸合成。目前對HCD的研究較少，BACH等[48]發現：pas2-1突變體的蠟質含量明顯少于野生型，PAS2基因功能完全喪失會最終導致胚死亡，推測PAS2在超長鏈脂肪酸合成和生物發育中起到非常關鍵的作用。ROUDIER等[49]發現：內質網中的PAS1和PAS2，KCR和ECR存在蛋白互作，并認為PAS1在多酶復合體中扮演分子構架的角色。

3.1.3 超長鏈脂肪酸衍生物合成 同位素示蹤和氣相色譜質譜技術已經驗證了超長鏈脂肪酸通過?；€原途徑和脫羰基途徑衍生出其他蠟質成分。?；€原途徑也叫醇合成途徑，超長鏈脂肪酰輔酶A經脂肪酰輔酶A還原酶(FAR)還原產生初級醇，初級醇與C16～C18脂肪酸輔酶A經蠟酯合成酶(WS)縮合產生蠟酯。擬南芥通過?；€原途徑產生的蠟質相對含量約為20%。CER4基因編碼的?；o酶A還原酶在該途徑中起到關鍵作用，主要將擬南芥表皮和根部脂肪酸還原成初級醇。ROWLAND等[50]發現：擬南芥cer4突變體莖中醇與蠟酯含量顯著降低。LI等[51]發現：擬南芥wsd1突變體蠟酯含量明顯少于野生型。脫羰基途徑也叫烷烴合成途徑，超長鏈脂肪酰輔酶A經脂肪酰輔酶A還原酶(FAR)還原產生的醛經醛脫羰酶脫羰產生烷烴，經中鏈烷烴羥化酶(MAH)1次羥化產生次級醇，再次羥化生成酮。擬南芥約80%的蠟質組分由該途徑產生。BERNARD等[52]發現：擬南芥cer3突變體中醛含量減少，說明CER3基因在產生醛的過程起著重要作用。OSHIMA等[53]和劉秀林[54]發現：擬南芥cer1突變體莖表皮蠟質組分中烷烴含量減少，而醛含量增加，說明CER1編碼的酶參與烷烴產生。GREER等[55]發現：MAH1是烷烴羥化酶，擬南芥mah1突變體中次級醇和酮的含量顯著減少。

3.2 蠟質轉運途徑

內質網上經過各種酶加工修飾合成的蠟質成分會先轉運到細胞膜，再通過轉運蛋白進行跨膜運輸，最后經脂質轉移蛋白跨細胞壁轉運到角質層，轉運途徑及轉運蛋白見圖2和表2。

圖2 擬南芥蠟質轉運途徑[36]Figure 2 Wax transport pathway in Arabidopsis thaliana

表2 擬南芥參與蠟質轉運的蛋白Table 2 Waxy transport proteins in Arabidopsis thaliana

3.2.1 細胞內的蠟質轉運 目前對蠟質從內質網轉運到質膜有2種推測：①蠟質通過內質網與質膜內側接觸的部分直接進行運輸；②蠟質先進入內質網分泌的囊泡，再經高爾基體轉運到細胞膜內側[56]。

3.2.2 蠟質的跨膜運輸 蠟質到達質膜后利用相關轉運蛋白進行跨膜運輸。ABCG11和ABCG12是擬南芥中2個蠟質轉運相關的半分子轉運蛋白，LUO等[57]發現：ABCG11通過與另1個ABCG11結合形成同源二聚體或是與其他半分子轉運蛋白結合形成異源二聚體來轉運蠟質分子。BIRD等[58]發現：abcg11突變體生長速度減緩，表皮蠟質含量減少。QUILICHINI等[59]發現：ABCG12基因編碼定位在質膜上的ABC轉運蛋白，ABCG12基因的缺失導致擬南芥表皮部位的蠟質顯著減少，而細胞內蠟質總含量并沒有顯著變化，說明該基因缺失只影響了質膜中的蠟質轉運過程，而細胞內蠟質合成并沒有受阻。

3.2.3 蠟質轉移到角質層 到達細胞膜外的蠟質由脂質轉移蛋白(LTPs)轉運到角質層。LTPG1是一種脂質轉移蛋白，包含8個保守的半胱氨酸，形成疏水囊泡。DeBONO等[60]發現：ltpg1突變體的莖和角果表皮蠟質C29烷烴含量減少，但其他蠟質成分不存在顯著差異，說明突變體缺失的蛋白可能對C29烷烴轉移具有專一性。孫偉[61]發現：Th-nsLTP是一個非特異性脂轉移蛋白，通過參與小鹽芥表皮蠟質轉移過程，使表皮蠟質含量減少，晶體結構從桿狀轉為柱狀。

4 展望

十字花科植物蠟質形成分子機制極其復雜，今后可從以下幾個方面深入探究。①當前對蠟質形態結構與成分含量的研究都是獨立的，若能尋找不同蠟質成分形成晶體過程中的空間折疊規律，將有助于探明蠟質成分與蠟質結構復雜多樣性背后的具體對應關系。②目前在蠟質合成與轉運方面研究較多，但在外界環境條件如低溫、干旱或光照強度對蠟質合成影響方面的研究較少，需要更多的相關研究闡明環境影響蠟質合成的機制。③培育蠟質過量的新品種對于研究蠟質形成分子機制及抗病育種都具有重要意義。