植物木质素合成调控及基因工程研究进展

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　　摘要    木质素作为植物次生细胞壁的重要组分，分布于输导组织和木质化组织细胞壁中，不仅能提高细胞壁的隔水性和机械强度，而且在提高植物的抗病性、抗逆性方面也发挥着重要作用。本文从植物木质素的种类、合成调控、检测方法和利用基因工程从源头调控植物木质素含量等方面对植物木质素的研究现状进行了概述，并基于转基因技术的发展，对改变植物木质素组成的有效途径进行了展望。
　　关键词    植物木质素;合成调控;基因工程;研究进展
　　中图分类号    Q556.2        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2019）19-0004-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　作为植物次生细胞壁的重要组成之一，木质素在植物中的主要作用包括如下几个方面：一是木质素会渗透到细胞壁骨架中，与大分子的纤维素与半纤维素有效融合，最终使植物细胞机械强度增加、植物的抗倒伏能力提升[1-2];二是作為高分子聚合物的一种，木质素具有不可溶的特性，使得植物维管处的细胞壁具有疏水的特点，从而使植物内的水分与相关水溶矿物质能够顺利借助维管系统进行远距离的输送[3];三是木质素会融合到纤维素等物质中，使细胞壁骨架内形成一道有效屏障，防止各种病原菌入侵，从细胞层面提升植物的预防能力[4-6]。现将植物木质素合成调控及基因工程研究进展综述如下。
　　1    构成木质素结构的单体类型
　　组成木质素的单体类型有多种，包括芥子醇、香豆醇、松柏醇等，这些物质从属于木质醇类，为苯丙烷衍生物在各种羟基化与甲基化的作用下借助多种化学键构建形成[7]。主要过程：芥子醇、香豆醇、松柏醇首先会生成苯羟基型（p-hydroxyphenyl H）木质素、松柏醇残基型（guaiacyl G）木质素和丁香基型（syringyl S）木质素，这些木质素残基借助共价方式，如醚键（-O-）与碳碳键（C-C）等有效地连接[2]。
　　在不同植物类群内，木质素及相关类型所占的比重不同。以松柏醇聚合而生成的G型木质素为木质素主要构建部分的植物主要有蕨类植物与裸子植物，以松柏醇和丁香醇经过聚合作用形成的G-S型木质素为木质素主要部分的植物包括双子叶植物，涵盖3种木质醇单体，也就是H-G-S型木质素为木质素的主要组成部分是植物的原本属性，植物属性分为单子叶属性和双子叶属性，根据上述表明，其木质素主要组成部分为第一类属性[8]。在自然界中，每种植物都有木质素，但是木质素的结构与植物品种相关。即使同一物种，在不同阶段内，植物体内的结构也不一致，造成这种原因是体内的单体发生了改变[9]。事实上，除了以上几种木质素单体之外，还有其他类型的木质素单体形式[10]。
　　2    木质素合成调控
　　2.1    木质素的合成
　　已有研究表明，生物体内形成层木质素必然会经过莽草酸途径、类苯丙酸途径和特异途径。第一步需要植物的外界转换，植物在阳光照射下，将体内的葡萄糖转化为各种氨基酸，形成的氨基酸中包括莽草酸，莽草酸是植物体内需转化的必要过程[11];第二步便是将第一步产生的酸进行脱氨基处理，莽草酸分子中的氨基在相关酶的催化作用下，形成羟基肉桂酸类化合物;第三步将上一环节生成的HCAs及HCA-CoA物质进行还原，还原物质在相关酶催化作用下形成木质素单体结构，该单体结构具有很强的亲和力，尤其针对金属离子[12]。在整个过程中，第二步与第三步起到关键作用，所以在对木质素合成进行研究的过程中，应高度重视类苯丙酸途径和特异途径[13]。
　　近些年的研究成果表明，木质素合成的总量与苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonialyase，PAL）、肉桂酸-4-羟基化酶（cinnamate-4-hydroxylase，C4H）和4-香豆酸辅酶A连接酶（4-Coumarate：CoA ligase，4CL）生成量及其活性水平密切相关[14];而木质素的特异性与阿魏酸5-羟基化酶（ferulate 5-hydroxylase，F5H）、咖啡酸/5-羟基阿魏酸O-甲基转移酶（caffeicacid-5-O-methyltransfena se，COMT）和咖啡酰辅酶A/5-羟基阿魏酰辅酶A-O-甲基转移酶（caffeoyl-Co A 5-O- methyltransfenase，CCoAOMT）这3种酶有着莫大的关系，其对单体木质素结构中的比重产生关键性的作用[15]。
　　2.1.1    PAL。PAL处在类苯丙酸途径的起始位置，不仅与木质素合成途径相关，还与香豆酸酯类和类黄酮等次生物质的生成直接相关，因而PAL为木质素生成的限速环节之一。然而有关该方面的抑制研究表明，转基因植物进行木质素合成的过程中会受到一定的抑制作用，且对植物本身的逆境应答响应机制产生抑制作用[16]。
　　2.1.2    C4H。C4H为加氧酶的一种，从整个木质素合成过程来看，其处于PAL后，能够对肉桂酸起到催化作用使之成为香豆酸，也就是木质素单体的前体。当前，人们公认苯丙氨酸只有通过PAL和C4H才能够转为香豆酸;然而与PAL一样，C4H的合成与多个因素有关，其中包括木质素单体酶的代谢，将羟基进行脱水分离，合成相关碳水化合物。C4H的合成还与木质素有一定的关联，木质素在单体合成过程中会对C4H具有一定的抑制作用，但是对植物的生长却没有产生任何变化;然而木质素单体S/G的比值却发生了变化，木质素单体中S的含量有所下降，木质素单体G也许会借助其他路径来实现补偿或者C4H与其他酶生成复合酶从而获得木质素单体S[17]。 　　2.1.3    4CL。4CL能夠对不同的底物产生催化作用，如香豆酸、阿魏酸、咖啡酸与肉桂酸等，使之生成CoA酯，从整个类苯丙烷代谢的过程来看，其为获得不同木质素单体的关键所在，起到非常重要的控制作用。当前，很多植物内都发现了4CL这一物质，并得到了克隆验证。对这类物质进行抑制能够缓解转基因植物中因木质素含量高而导致的生长过快问题，这一点与木质素含量对生物机体产生纤维素含量的影响相关。
　　2.1.4    F5H。F5H为S型木质素合成的唯一环节，对于缺失F5H的植物材料其木质素为G型木质素，F5H能够有效地提升S型木质素的含量，使得S/G的比值上升。有关F5H表达的研究成果显示，F5H带有的微粒体重在茎杆的木质部尤其是厚壁组织中具有非常高的活性。
　　2.1.5    COMT。COMT具有催化三类底物的作用，也就是促使咖啡酸、5-羟基松柏醛、5-羟基松柏醇甲基转换形成阿魏酸、芥子醛和芥子醇。抑制植物中的COMT活性会使转基因植物内的S型木质素出现减少的情况，这表明COMT借助对S型木质素前体的合成从而控制S型木质素。除此之外，COMT的表达还带有时空特异性，存在于植物木质部中，但是在叶中却难以检测到COMT。
　　2.1.6    CCoAOMT。CCoAOMT借助对咖啡酰CoA转化成阿魏酰CoA的控制来实现植物木质素的合成及类型的控制。该方面的研究成果表明，抑制CCoAOMT的合成会使得S型木质素与G型木质素的合成出现抑制现象，且对G型木质素的抑制作用更为显著，从而实现对S/G比值的控制。因此，CCoAOMT主要是G型木质素的调控因子。与4CL、F5H和COMT一样，CCoAOMT主要存在于植物的木质部。
　　2.2    木质素的调控
　　在调控木质素合成的过程中，有许多基因调控方面的转录因子，其中最为重要的转录因子有MYB类转录因子与NAC类转录因子。
　　MYB类转录因子已经在拟南芥中被验证有参与调控植物木质素，如R2R3型与LIM[18]等借助和结合参于苯丙烷途径的基因融合，如PAL、C4H、4CL、C3H、CCoAOMT、CCR和CAD等通过对子区中存在的AC元件[19]进行启动从而实现调控，这些基因中都涵盖AC-Ⅰ（ACCTA CC）、AC-Ⅱ（ACCAACC）或AC-Ⅲ（ACCTAAC）中1个或多个AC元件[20]。在与苯丙烷途径基因的启动子进行融合的过程中，该转录因子的结合能够控制苯丙烷的代谢[21-22]。另外，MYB类转录因子在转录过程中，会根据苯丙烷的代谢情况，对具有木质素基因进行读取。如在PAL读取过程中，会将转录因子中的基因进行记忆，完成木质素基因读取的过程。
　　NAC类转录因子能够借助控制MYB类转录因子的结合，从而控制木质素的生物合成[23]，因为从整个木质素调控网络来看，NAC处于上游区域，借助NAC调控会出现诸多不确定的情况。当前，模式植物拟南芥中克隆已经验证了部分NAC类转录因子参与木质素合成的调控[6]。
　　事实上，除了上述2种转录因子之外，在植物木质素调控的过程中还出现了很多其他的转录因子，如WRKY类转录因子，其与MYB类转录因子非常类似[6]，这类转录因子在拟南芥中过表达表现出MYB83、MYB46和MYB63等转录水平上升的现象，从而使得4CL1、HCT、COMT、PAL1和CCR1的表达量下降，最终降低转基因植株的木质素含量，所以在对木质素代谢进行调控的过程中，SbbHLH1作用要比MYB强[24]。
　　3    木质素的测定方法
　　目前，常用的检测分析木质素的方法有Klason法[25]、紫外分光光度法[26]、红外光谱定量分析法[27]、同位素法[28]、近红外光谱法[29]。其中，应用比较广泛的主要有Klason法和紫外分光光度法[30]。
　　4    展望
　　在多个物种基因序列明确的情况下，木质素合成调控方面的基因可以实现准确定位，并对此展开多方面的分析，如序列差异化、多态性、启动子等，在基因组编辑技术的作用下[31]展开定向诱变，这样能够有效地杜绝植物出现同源抑制的现象，从而获得抗病、抗倒伏能力更强的植物。
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