李堅(jiān) 石江濤

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

木材具有復(fù)雜的生物學(xué)特征，并最終展現(xiàn)出優(yōu)劣不易的表型與品質(zhì)。經(jīng)典的木材科學(xué)研究，主要集中在立木采伐后的加工利用方面，盡可能發(fā)揮木材的優(yōu)良特性并抑制其缺陷;但是，整個(gè)過程都可以看作是一種后天的補(bǔ)救措施，不論是物理還是化學(xué)的處理方法都將給能源和環(huán)境帶來不小的壓力。木材行業(yè)自身，應(yīng)該在低碳經(jīng)濟(jì)及人類可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)揮積極作用。選擇生物技術(shù)方法，可以從源頭上改良木材品質(zhì)，提高其在低碳經(jīng)濟(jì)中的效率。對(duì)于木材品質(zhì)性狀的生物技術(shù)改良，目前尚處于原始材料積累階段［1］。要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)木材品質(zhì)進(jìn)行遺傳調(diào)控，必須將傳統(tǒng)的木材科學(xué)研究方法與現(xiàn)代分子生物學(xué)方法相結(jié)合，把研究對(duì)象從傳統(tǒng)的“死”的木材轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩摹盎睢绷⒛旧蟻?重在考察林木群體性狀的遺傳變異，挖掘木質(zhì)部發(fā)育中的關(guān)鍵基因，探索木材形成的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，掌握木材形成的分子調(diào)控基礎(chǔ)，指導(dǎo)木材品質(zhì)的定向遺傳改良。

1 木材形成的生物學(xué)過程

木材形成過程，可以看作是發(fā)育生物學(xué)上的木質(zhì)部發(fā)生過程［2］。該過程是一個(gè)有機(jī)的、復(fù)雜的生物學(xué)過程，是樹木將空氣中的CO2和水在光能及葉綠素條件下轉(zhuǎn)化成碳水化合物，并通過各種代謝途徑，將每種成分組裝在一起而形成具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的天然高分子材料。木材形成，起源于維管形成層，依次經(jīng)過細(xì)胞分裂、細(xì)胞增大和伸長(zhǎng)、次生壁形成、木質(zhì)化、程序性死亡和心材形成生命活動(dòng)循環(huán)而生［3］。木材形成，是一系列復(fù)雜的遺傳和生理因素的交互作用的結(jié)果。木質(zhì)部發(fā)生過程中，各個(gè)不同階段在分子水平上，都是在特定的時(shí)空條件下將細(xì)胞內(nèi)的基因組群有序表達(dá)。所有的生命過程，都是由相應(yīng)的一群基因編碼的程序所控制。同一植物體，每一個(gè)細(xì)胞，都擁有相同的遺傳基因。它們之所以能發(fā)育成結(jié)構(gòu)和功能各異的組織或器官，是由于某些基因得以表達(dá)，另一些基因受到抑制而沒有表達(dá)。而樹木生長(zhǎng)產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)性質(zhì)的木材組織，最終表現(xiàn)出多變的木材特征性質(zhì)。這種可塑性，有可能是由木材形成中特異基因或蛋白質(zhì)的差異表達(dá)引起的［4］。

探討處于不同生理、病理?xiàng)l件下的有機(jī)體之間的未知基因的差異表達(dá)，是研究生命本質(zhì)的有效途徑。應(yīng)力木，是樹木中的非正常組織，表現(xiàn)在樹木橫切面上特殊偏心的偏寬部分。通常是指，外部環(huán)境或條件的改變誘導(dǎo)形成的彎曲或傾斜的樹干，試圖恢復(fù)原來垂直高生長(zhǎng)或維持樹枝的自然角度方向，從而形成的在解剖(圖1)、化學(xué)組成及物理力學(xué)性質(zhì)明顯不同的木材［4-7］。闊葉樹材偏心橫切面的寬邊，位于傾斜樹干的上側(cè)或受拉一側(cè)，稱為應(yīng)拉木;針葉樹材偏心橫切面的寬邊，位于傾斜樹干的下側(cè)或受壓一側(cè)，稱為應(yīng)壓木［8］。針葉材和闊葉材在次生木質(zhì)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)存在很多差異，所以要對(duì)兩類木材形成途徑進(jìn)行同步研究。楊屬和桉屬作為闊葉樹基因改良研究的模式樹種［9-10］，而松屬為針葉樹的模式樹種［11］。相對(duì)于闊葉樹，針葉樹有較大的基因組堿基數(shù)(10～40 Gb)和較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期，這些因素限制了其分子遺傳分析和育種發(fā)展［12］。又由于裸子植物和被子植物進(jìn)化距離較遠(yuǎn)，阻礙了兩種基因資源的比對(duì)和共享。應(yīng)力木系統(tǒng)，不僅是研究木材構(gòu)造與性質(zhì)關(guān)系、細(xì)胞壁化學(xué)組成和構(gòu)建、木材性質(zhì)與培育及加工利用關(guān)系的最佳實(shí)驗(yàn)材料，同時(shí)也是研究木質(zhì)部發(fā)育形成的最佳實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2 分子生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

細(xì)胞是構(gòu)成所有生命體的基本單元。植物的生活細(xì)胞有細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核組成。細(xì)胞核包含了主要的染色體，攜帶著植物發(fā)育和生長(zhǎng)所必需的遺傳信息。染色體是成對(duì)存在的，稱為同源染色體對(duì)。同一種物種正常個(gè)體中正常同類型細(xì)胞都具有相同數(shù)目的染色體數(shù)。如:花旗松有13對(duì)，26條;杉木有11對(duì)，22條［13］。染色體上的遺傳物質(zhì)是DNA，它是由堿基，脫氧核糖和磷酸組成。帶有遺傳信息的DNA片段稱為基因，是遺傳的基本功能單位。遺傳信息包含在DNA序列繪制的“天書”里，它又是如何被生命體讀懂，并和外界環(huán)境相協(xié)調(diào)的呢?基因?qū)⑦z傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質(zhì)，即完成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。遺傳物質(zhì)在DNA和RNA之間可以可逆的傳遞，但是只能從RNA單向傳遞給蛋白質(zhì)。這就是所有具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物所遵循的中心法則。它是現(xiàn)代生物學(xué)中最重要的基本規(guī)律之一，在探索生命現(xiàn)象的本質(zhì)及普遍規(guī)律方面起著巨大的作用［14］。蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。它是與生命及各種形式的生命活動(dòng)緊密聯(lián)系在一起的物質(zhì)，它幾乎參與了所有的生命活動(dòng)和反應(yīng)。蛋白質(zhì)是一種復(fù)雜的有機(jī)化合物，其組成的基本單元是氨基酸。氨基酸序列完全是由細(xì)胞核內(nèi)對(duì)應(yīng)基因編碼的。雙鏈DNA分子將存貯的遺傳信息轉(zhuǎn)錄成信使核糖核酸(mRNA)，后者移動(dòng)并透過核膜，到達(dá)細(xì)胞質(zhì)中的核糖體，在轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(tRNA)調(diào)控下翻譯轉(zhuǎn)錄的遺傳信息合成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)鏈的生成經(jīng)過起始、延伸和終止，在每個(gè)階段都有特定的三聯(lián)密碼子。比如:AUG是起始密碼子，UAG、UAA、UGA是終止密碼子。總之，細(xì)胞核內(nèi)的DNA序列是遺傳信息的貯存載體，其嚴(yán)格遵循半保留復(fù)制法則和中心法則，將遺傳信息轉(zhuǎn)錄翻譯，最終產(chǎn)生形態(tài)迥異的萬千物種。

圖1 木材次生壁的多層結(jié)構(gòu)(楊木正常木(A、B)與應(yīng)拉木(C、D)纖維不同壁層掃描電鏡圖和示意圖)

3 木材形成的“多組學(xué)”技術(shù)

分子生物學(xué)的總體目標(biāo)是確定基因及其產(chǎn)物的功能，并將它們與代謝途徑和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，深入認(rèn)識(shí)生物系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。隨著高通量、大規(guī)模的信息技術(shù)發(fā)展，在整體水平上研究生物系統(tǒng)成為可能。首先是對(duì)重要生物的全基因組測(cè)序、基因圖譜繪制;接下來就要確定這些基因在生物系統(tǒng)中的具體功能及相互作用。這就要通過轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組以及代謝組水平研究來實(shí)現(xiàn)?；蚪M是一個(gè)靜態(tài)的信息源，一般情況不因細(xì)胞類型和環(huán)境條件的變化而發(fā)生波動(dòng);而轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組以及代謝組水平物質(zhì)是動(dòng)態(tài)的，相對(duì)豐度隨著生境條件和自身生理?xiàng)l件的變化而波動(dòng)。將不同組學(xué)研究聯(lián)系起來即成為“多組學(xué)”技術(shù)。通過該技術(shù)闡述每個(gè)基因的功能，以及基因彼此之間的協(xié)調(diào)作用網(wǎng)絡(luò)，才不至于將辛苦得來的基因組數(shù)據(jù)當(dāng)做“天書”。就像木材發(fā)育一樣，我們不僅要了解每個(gè)組分的組成和作用，還要深入掌握組分之間相互協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)作用，只有這樣我們才能真正意義上認(rèn)知木材形成的生命過程。

3.1 基因組學(xué)研究

基因組學(xué)，從生物體所有遺傳信息著手，從整體水平上測(cè)定全部核酸、蛋白質(zhì)、糖類等生物分子復(fù)合體的一級(jí)結(jié)構(gòu)，計(jì)算或模擬其空間結(jié)構(gòu)，并在細(xì)胞中定位，以便確定在各種生物代謝途徑、生理途徑、信號(hào)傳導(dǎo)中系統(tǒng)水平上的分子結(jié)構(gòu)圖，從而在整體水平上理解生命的本質(zhì)。樹木基因組學(xué)研究最初是采用表達(dá)序列簽(EST)測(cè)序技術(shù)，探索松樹和楊樹木材形成過程中基因表達(dá)情況［11，15］;從此以后，開展了大量不同組織和樹種的EST研究。從標(biāo)準(zhǔn)化的桉樹全長(zhǎng)次生木質(zhì)部cDNA文庫和幼齡材與成熟材的差減文庫克隆得到10 000個(gè)高質(zhì)量的ESTs［16］。通過從楊樹木質(zhì)部組織的cDNA文庫中大量獲取序列表達(dá)簽，對(duì)其進(jìn)行基因作圖［17］，并可應(yīng)用于重要材性性狀定位分析和圖譜克?。?8］。隨后，模式樹種楊樹的全基因組也測(cè)序成功［19］。應(yīng)力木基因組研究已經(jīng)在火炬松和楊樹中展開，并獲得了大量表達(dá)序列簽。接下來要對(duì)基因在染色體上、細(xì)胞中定位、確定功能，還需要進(jìn)行大量的功能驗(yàn)證。

3.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

轉(zhuǎn)錄組，是指在特定時(shí)空條件下，生物體將其所有編碼序列DNA分子的遺傳信息表達(dá)，產(chǎn)生的所有RNA分子。轉(zhuǎn)錄水平研究是基因功能驗(yàn)證的重要手段之一，主要有以下幾種分析方法:基于微陣列技術(shù)(cDNA或oligonucleotides)、基于測(cè)序技術(shù)的基因表達(dá)系列分析(SAGE)、大規(guī)模平行信號(hào)測(cè)序(MPSS)、基于差異表達(dá)技術(shù)(DD-PCR)。

在林木中應(yīng)用較多的是微陣列分析。應(yīng)力木組織與正常木在基因表達(dá)水平上呈現(xiàn)差異。桉樹樹枝應(yīng)拉木中阿拉伯半乳糖束狀蛋白編碼基因EgrFLA2表達(dá)差異最大，彎曲部位上部表達(dá)相對(duì)豐度是下部的27倍［20］。Paus等［10］通過玫瑰桉彎曲試驗(yàn)，鑒定出一個(gè)纖維素合酶基因，并發(fā)現(xiàn)其在應(yīng)拉木中表達(dá)豐度較高。許多參與木質(zhì)素生物合成的基因，在彎曲應(yīng)拉木中的瞬時(shí)表達(dá)量增加，但在彎曲回復(fù)后又趨于正常。歐洲山楊×歐洲顫楊應(yīng)拉木轉(zhuǎn)錄物分析發(fā)現(xiàn)，蔗糖合酶活性增加，因此促使更多的碳元素參與纖維素生物合成。但是，不同次生壁特異纖維素合酶基因，在表達(dá)水平上存在很大差異［21］。免疫化學(xué)實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證美國(guó)楓香樹和樸樹應(yīng)拉木中阿拉伯半乳糖束狀蛋白編碼基因表達(dá)豐度升高［22］。最近研究發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)壁層形成中有木葡聚糖內(nèi)源轉(zhuǎn)糖基酶(XET)表達(dá)，推測(cè)其可能參與木葡聚糖交聯(lián)結(jié)構(gòu)的修復(fù)［23］。

針葉樹種在轉(zhuǎn)錄水平上，針對(duì)不同表型木材形成的分子基礎(chǔ)做了大量研究［24-27］。Steven G Palph等［28］獲得阿拉斯加云杉200 000個(gè)ESTs和6464個(gè)高質(zhì)量的全長(zhǎng)cDNA，為其建立了新的基因資源。裸子植物中參與細(xì)胞壁合成的基因，像3種MYB基因［29］、阿拉伯半乳糖蛋白編碼基因、α-和β-微管蛋白、木質(zhì)素合成相關(guān)基因等［24，30-31］，在應(yīng)壓木中有相對(duì)較高的表達(dá)量。Yoshida M［32］采用熒光差異顯示技術(shù)，檢測(cè)日本扁柏應(yīng)壓木形成中cDNA片段表達(dá)，在轉(zhuǎn)錄水平上的變化與木材材性變異的相關(guān)性。解剖結(jié)構(gòu)觀察表明，應(yīng)壓木在樹木莖干基部比頂端區(qū)域形成更嚴(yán)重，顯示出應(yīng)壓木形成與基因表達(dá)有相關(guān)性。差異表達(dá)基因，主要參與細(xì)胞分裂、細(xì)胞擴(kuò)張和細(xì)胞壁加厚等生物學(xué)過程。Saori Yamashita等［33］研究應(yīng)壓木形成程度與相關(guān)轉(zhuǎn)錄物的關(guān)系。隨著彎曲角度增加，木質(zhì)素含量和一個(gè)與漆酶高度相似的轉(zhuǎn)錄物相對(duì)豐度增加;管胞長(zhǎng)度隨彎曲角度增大而減小，同時(shí)一個(gè)與抗壞血酸鹽氧化酶高度相似的轉(zhuǎn)錄物相對(duì)豐度降低。木質(zhì)部發(fā)生是包含不同發(fā)育階段，不同細(xì)胞類型以及千變?nèi)f化基因表達(dá)的復(fù)雜生物學(xué)過程［34］。迄今為止，很難將不同發(fā)育時(shí)期，分解的極其準(zhǔn)確并進(jìn)行基因表達(dá)分析。也許，隨著單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，將有可能對(duì)樹木形成層細(xì)胞分化的基因表達(dá)，進(jìn)行更準(zhǔn)確的闡述。

3.3 蛋白質(zhì)組學(xué)研究

蛋白質(zhì)組，是在一定條件下，由特定細(xì)胞或生物體產(chǎn)生的所有蛋白質(zhì)［35］。細(xì)胞通過調(diào)控其蛋白質(zhì)的表達(dá)水平和活性來適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的改變，所以蛋白質(zhì)組無論是在質(zhì)或量上的改變，都反映了處于生活中的細(xì)胞的狀況。蛋白質(zhì)組，是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一體，它是依據(jù)其組分的序列、結(jié)構(gòu)、豐度、定位、修飾、相互作用和生化功能來確定的。蛋白質(zhì)組學(xué)研究，也是首先從基本序列的認(rèn)識(shí)開始，鑒定其組成和結(jié)構(gòu);依次是分析蛋白質(zhì)在不同生理狀態(tài)下的表達(dá)豐度，蛋白質(zhì)之間遺傳和物理的相互作用及其核酸或其它小分子間的相互作用;最后通過直接功能或蛋白質(zhì)芯片結(jié)合生物信息學(xué)技術(shù)，驗(yàn)證確定蛋白質(zhì)功能。目前，常規(guī)蛋白質(zhì)組學(xué)的實(shí)驗(yàn)流程和主要研究方法如圖2所示。

圖2 蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)流程及主要方法

應(yīng)壓木與正常木木材形成過程中，蛋白質(zhì)表達(dá)豐度存在差異。蛋白質(zhì)表達(dá)水平，也影響木材的宏觀性質(zhì)。Plomion C.［30］利用雙向聚丙烯酰胺凝膠電泳首次分析應(yīng)壓木應(yīng)答蛋白，32個(gè)蛋白質(zhì)表達(dá)點(diǎn)與應(yīng)力有關(guān)。1-環(huán)丙胺-1-羧酸氧化酶、咖啡-O-甲基轉(zhuǎn)移酶和咖啡醇甲基轉(zhuǎn)移酶輔酶A表達(dá)上調(diào)。而后2種是木質(zhì)素合成途徑中的重要中間產(chǎn)物，這與應(yīng)壓木中木質(zhì)素含量增加相吻合。海岸松木材形成組織蛋白質(zhì)組學(xué)研究［36］發(fā)現(xiàn)上千個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)，分別經(jīng)過串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)和電離質(zhì)譜(MALDI-MS)分析部分蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其主要參與防御、碳水化合物和氨基酸代謝、基因和蛋白質(zhì)表達(dá)、細(xì)胞骨架、細(xì)胞壁生物合成以及新陳代謝。

木材形成組織非胞質(zhì)蛋白質(zhì)組分析，也可成為探索木材形成分子機(jī)制的強(qiáng)力工具。木質(zhì)部質(zhì)膜蛋白質(zhì)中，纖維素合酶和蔗糖合酶表達(dá)豐度較高，特有許多參與木質(zhì)素合成的酶類，可以推測(cè)，這些蛋白質(zhì)交聯(lián)成復(fù)合體并和質(zhì)膜有關(guān)聯(lián)［37］。Mast S.［38］等利用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜，分析輻射松應(yīng)壓木形成組織細(xì)胞膜蛋白，鑒定175個(gè)蛋白點(diǎn)，大多數(shù)為細(xì)胞膜整合蛋白或發(fā)源于細(xì)胞成分(如細(xì)胞核、原質(zhì)體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)膜和高爾基體)。經(jīng)生物信息學(xué)分析，預(yù)測(cè)大多數(shù)蛋白參與木材形成調(diào)控或細(xì)胞壁生物合成。

3.4 代謝組學(xué)研究

代謝水平分析，將成為功能基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的有力工具和重要組成部分。代謝組學(xué)，是對(duì)某一生物或細(xì)胞在特定生理時(shí)期內(nèi)所有低相對(duì)分子質(zhì)量量代謝產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行定性和定量分析的一門新學(xué)科［39］。代謝物質(zhì)是細(xì)胞調(diào)控過程的終產(chǎn)物，它們的種類和數(shù)量變化被視為生物系統(tǒng)對(duì)基因或環(huán)境變化的最終響應(yīng)［40］。代謝物質(zhì)成分復(fù)雜，物理化學(xué)性質(zhì)存在很大差異，需要通過多種分析手段才能獲得較完整的信息。目前應(yīng)用的主要有:氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)、核磁共振質(zhì)譜聯(lián)用(NMR-MS)。氣質(zhì)聯(lián)用可以同時(shí)檢測(cè)出數(shù)百種化合物，包括糖類、有機(jī)酸、氨基酸、脂肪酸和大量不同的次生代謝物［41-42］。木材形成組織中，代謝物質(zhì)的變化是樹木對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的應(yīng)答。通過鑒定代謝物質(zhì)種類，描述代謝途徑，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵調(diào)控因子，解釋生物應(yīng)答的分子機(jī)制。采用GC-MS技術(shù)分析火炬松幼齡材和應(yīng)壓木木材形成組織中極性代謝物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)壓木中果糖和葡萄糖相對(duì)表達(dá)豐度明顯低于正常木，而參與木質(zhì)素生物合成的重要中間產(chǎn)物:莽草酸、松柏苷含量增加［43］。這就可以在代謝水平上解釋應(yīng)壓木中高木質(zhì)素、低纖維素含量的化學(xué)組成。紅松應(yīng)壓木木材形成組織極性代謝產(chǎn)物中，果糖和葡萄糖含量也明顯降低。總體看，針對(duì)木材形成組織的代謝物質(zhì)分析研究相對(duì)較少。木材形成組織代謝水平研究還要對(duì)非極性部分分析，同時(shí)要對(duì)同一樣品進(jìn)行多種方法分析，像結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用、液質(zhì)聯(lián)用和核磁質(zhì)譜聯(lián)用3種或更多種平臺(tái)，這樣才能得到相對(duì)較完整、充分的認(rèn)識(shí)。

3.5 生物信息學(xué)數(shù)據(jù)處理

生物信息學(xué)，是將生物遺傳物質(zhì)的化學(xué)信息轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)字信息，為系列性、大規(guī)模研究與分析生命活動(dòng)奠定基礎(chǔ)?；蚪M、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組的生物信息，主要以數(shù)據(jù)庫的形式儲(chǔ)存。主要數(shù)據(jù)庫有:通用蛋白質(zhì)資源UniProt、美國(guó)的GenBank、歐洲的EBI和日本的DDBJ。還有一些實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立的小型、單一物種的數(shù)據(jù)庫。木材形成組織相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，主要集中在這種類型。像桉樹ESTs數(shù)據(jù)庫［16］、楊樹轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫［44］、楊樹綜合功能基因組數(shù)據(jù)庫、云杉的ESTs和全長(zhǎng)cDNA數(shù)據(jù)庫［28］等。隨著生物信息驟增，必須加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的管理和維護(hù)，提煉分支、清理冗余信息、增加資源共享度。生物信息，只有在生物體生命活動(dòng)中才能真正體現(xiàn)它的功能，它又與生物體結(jié)構(gòu)相互依托。簡(jiǎn)單將其信息化、孤立出來，其處理結(jié)果必然有局限性。期望從生命進(jìn)化起源的視角，結(jié)合理性思維，來看待實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)語與展望

研究現(xiàn)狀表明，通過生物技術(shù)，鑒定潛在參與木材形成和調(diào)控其化學(xué)組成與物理性質(zhì)的關(guān)鍵因子和候選基因，是科學(xué)的、有效的策略。應(yīng)力木系統(tǒng)在該研究中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。大量理論證明，大多數(shù)植物的生物化學(xué)過程、細(xì)胞發(fā)育、新陳代謝及發(fā)生過程，都是相似的。因此，關(guān)于木質(zhì)部發(fā)生過程，也已在基因工程模式植物擬南芥(Arabidopsis)和百草目(Zinnia elegans)中展開研究［45-46］。采用“多組學(xué)”技術(shù)，在整體水平上研究木材形成的生物學(xué)過程，是必要的，也是必然的，將會(huì)更加全面和精確地闡述木材形成的生物學(xué)過程。從植物樣品的采集、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用、數(shù)據(jù)的分析、深層次生命信息的發(fā)掘，都是互相聯(lián)系、相輔相成的。木材形成中多組學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展，應(yīng)該平行進(jìn)行、橫向拓展，將所得信息聯(lián)系起來，不能使之孤立。

圖3 木材形成組織多組學(xué)分析流程

以后研究中應(yīng)該注意的問題:①實(shí)驗(yàn)材料多樣化，使得實(shí)驗(yàn)方法凌亂，難以標(biāo)準(zhǔn)化。②取樣標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一;如何科學(xué)縝密地獲取，需要專業(yè)的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。③實(shí)驗(yàn)周期短、樣本少，難以提供完整、充分的驗(yàn)證數(shù)據(jù);樹木生長(zhǎng)生命周期較長(zhǎng)，某一性狀的形成需要長(zhǎng)時(shí)間的遺傳積累。④實(shí)驗(yàn)室之間數(shù)據(jù)難以共享。對(duì)一種或多種材料的研究，是很多學(xué)者關(guān)注的，平行進(jìn)行的;但由于材料取樣、技術(shù)方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)人員操作等條件的限制，致使所得結(jié)果之間無法相互交流。一旦出現(xiàn)斷層，那么這些結(jié)果將變得毫無意義。⑤多組學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系、標(biāo)準(zhǔn)化。⑥分子水平與更高層次認(rèn)識(shí)水平的結(jié)合。木材具有如此的細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系，不僅僅是生物大分子在分子水平上活動(dòng)的結(jié)果。只在分子水平上認(rèn)識(shí)木材細(xì)胞壁各組分的發(fā)育形成，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的;應(yīng)該從發(fā)育進(jìn)化的角度，去探索揭示木材形成的生命本質(zhì)和奧妙。

［1］王明庥.林木遺傳育種學(xué)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2001.

［2］崔克明.植物發(fā)育生物學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2007.

［3］Plomion C，Leprovost G，Stokes A.Wood formation in trees［J］.Plant Physiology，2001，127(4):1513-1523.

［4］Déjardin A，Laurans F，Arnaud D.Wood formation in angiosperms［J］.Comptes Rendus Biologies，2010，333(4):325-334.

［5］Timell T E.Studies on opposite wood in conifers part(Ⅰ):chemical composition［J］.Wood Science and Technology，1973，7(1):1-5.

［6］Timell T E.Studies on opposite wood in conifers part(Ⅱ):histology and ultrastructure［J］.Wood Science and Technology，1973，7(2):79-91.

［7］Timell T E.Studies on opposite wood in conifers part(Ⅲ):distribution of lignin［J］.Wood Science and Technology，1973，7(3):163-172.

［8］Du S，Yamamoto F.An overview of the biology of reaction wood formation［J］.Journal of Integrative Plant Biology，2007，49(2):131-143.

［9］Sterky F，Bhalerao R R，Unneberg P，et al.A populus EST resource for plant functional genomics［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2004，101(38):13951-13956.

［10］Paux E，Carocha V，Marques C，et al.Transcript profiling of eucalyptus xylem genes during tension wood formation［J］.New Phytol，2005，167(1):89-100.

［11］Lev-Yadun S，Sederoff R.Pines as model gymnosperms to study evolution wood formation and perennial growth［J］.Journal of Plant Growth Regulation，2000，19(3):290-305.

［12］Allona I，Quinn M，Shoop E，et al.Analysis of xylem formation in pine by cDNA sequencing［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1998，95:9693-9698.

［13］李堅(jiān)，欒樹杰.生物木材學(xué)［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，1993.

［14］朱玉賢，李毅，鄭曉峰.現(xiàn)代分子生物學(xué)［M］.3版.北京:高等教育出版社，2007.

［15］Sterky F，Regan S，Karlsson J，et al.Gene discovery in the woodforming tissues of poplar:analysis of 5692 expressed sequence tags［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1998，95:13330-13335.

［16］David Rengel，Hélène San Clemente，F(xiàn)lorence Servant，et al.A new genomic resource dedicated to wood formation in eucalyptus［J］.BMC Pant Biology，2009，9(1):1-14.

［17］Cervera M T，Storme V，Ivens B.Dense genetic linkage maps of three populus species(P.deltoids，P.nigra and P.trichocarpa)based on AFLP and microsatellite markers［J］.Genetics，2001，158(2):787-809.

［18］Frewen B E，Chen T H，Howe G T，et al.Quantitative trait loci and candidate gene mapping of bud set and bud flush in populus［J］.Genetics，2000，154(2):837-845.

［19］Tuskan G A，DiFazio S，Jansson S，et al.The genome of black cottonwood populus trichocarpa(Torr.＆Gray)［J］.Science，2006，313:1596-1604.

［20］Lafarguette F，Leplé J C，Déjardin A，et al.Poplar genes encoding faciclin-like arabinogalactan proteins are highly expressed in tension wood［J］.New Phytologist，2004，164(1):107-121.

［21］Andersson-Gunner。as S，Mellerowicz E J，Love J，et al.Biosynthesis of cellulose-enriched tension wood in Populus:global analysis of transcripts and metabolites identifies biochemical and developmental regulators in secondary wall biosynthesis［J］.Plant J，45:144-165.

［22］Andrew J Bowling，Kevin C Vaughn.Immunocytochemical characterization of tension wood:gelatinous fibers contain more than just cellulose［J］.American Journal of Botany，2008，95(6):655-663.

［23］Nobuyuki Nishikubo，Tatsuya Awano，Alicja Banasiak，et al.Xyloglucan endo-transglycosylase(XET)functions in gelatinous layers of tension wood fibers in poplar:a glimpse into the mechanism of the balancing act of trees［J］.Plant Cell Physiology，2007，48(6):843-855.

［24］Whetten R，Sun Y H，Zhang Y，et al.Functional genomics and cell wall biosynthesis in loblolly pine［J］.Plant Molecular Biology，2001，47(1/2):275-291.

［25］Gregoire Le Provost，Raúl Herrera，Jorge Ap Paiva，et al.A micromethod for high throughput RNA extraction of forest trees［J］.Biological Research，2007，40(3):291-297.

［26］Egertsdotter U，van ZyI L M，MacKay J，et al.Gene expression during formation of earlywood and latewood in loblolly pine:wxpression profiles of 350 genes［J］.Plant Biology，2004，6(6):654-663.

［27］Cato S，McMillan L，Donaldson L，et al.Wood formation from the base to the crown in Pinus radiate:gradients of tracheid wall thickness，wood density，radial growth rate and gene expression［J］.Plant Molecular Biology，2006，60(4):565-581.

［28］Steven G Ralph，Hye Jung E Chun，Natalia Kolosova，et al.A conifer genomics resource of 200000 spruce(Picea spp.)ESTs and 6464 high-quality，sequence-finished full-length cDNAs for Sitka spruce(Picea sitchensis)［J］.BMC Genomics，2008，9:484-501.

［29］Frank Bedon，Jacqueline Grima-Pettenati，John Mackay.Conifer R2R3-MYB transcription factors:sequence analyses and gene expression in wood-forming tissue of white spruce(Picea glauca)［J］.BMC Plant Biology，2007，7:17-34.

［30］Plomion C，Pionneau C，Brach J，et al.Compression wood-responsive proteins in developing xylem of maritime pine(Pinus pinaster Ait.)［J］.Plant Physiol，2000，123:959-969.

［31］Koutaniemi S，Warinowski T，Karkonen A，et al.Expression profiling of the lignin biosynthetic pathway in Norway spruce using EST sequencing and real-time RT-PCR［J］.Plant Molecular Biology，2007，65(3):311-328.

［32］Saori Yamashita，Masato Yoshida，Hiroyuki Yamamoto，et al.Screening genes that change expression during compression wood formation in Chamaecyparis obtuse［J］.Tree Physiology，2008，28(9):1331-1340.

［33］Yamashita S，Yoshida M，Yamamoto H.Relationship between development of compression wood and gene expression［J］.Plant Science，2009，176:729-735.

［34］Du J，Groover A.Transcriptional regulation of secondary growth and wood formation［J］.J Inter Plant Biol，2010，52(1):17-27.

［35］(英)Twyman R M.蛋白質(zhì)組學(xué)原理［M］.王恒樑，袁靜，劉先凱，等譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［36］Jean-Marc Gion，Céline Lalanne，Grégoire Le Provost，et al.The proteome of maritime pine wood formation tissue［J］.Proteomics，2005，5:3731-3751.

［37］Robert Nilsson，Katja Bernfur，Niklas Gustavsson，et al.Proteomics of plasma membranes from poplar trees reveals tissue distribution of transporters，receptors，and proteins in cell wall formation［J］.Molecular＆Cellular Proteomics，2010，9:368-387.

［38］Mast S，Peng L，Jordan T W，et al.Proteomic analysis of membrane preparations from developing Pinus radiate compression wood［J］.Tree Physiology，2010，30(11):1456-1468.

［39］Goodacre Royston.Metabolic profiling:pathways in discovery［J］.Drug Discovery Today，2004，9(6):260-261.

［40］Fiehn O.Metabolomics:the link between genotypes and phenotypes［J］.Plant Molecular Biology，2002，48(1/2):155-171.

［41］Taylor J，King R D，Altmann T，et al.Application of metabolomics to plant genotype discrimination using statistics and machine learning［J］.Bioinformatics，2002，18(2):241-248.

［42］Tolstikov V V，F(xiàn)iehn O.Analysis of highly polar compounds of plant origin:Combination of hydrophilic interaction chromatography and electrospray ion trap mass spectrometry［J］.Analytical Biochemistry，2002，301(2):298-307.

［43］Yeh T，Morris C，Goldfarb B，et al.Utilization of polar metabolite profiling in the comparison of juvenile wood and compression wood in loblolly pine(Pinus taeda)［J］.Tree Physiology，269(11):1497-1503.

［44］Zhu Q H，Guo A Y，Gao G，et al.DPTF:a database of poplar transcription factors［J］.Bioinformatics，2007，23(10):1307-1308.

［45］Chaffey N，Cholewa E，Regan S，et al.Secondary xylem development in Arabidopsis:a model for wood formation［J］.Physiologia Plantarum，2002，114(4):594-600.

［46］Reiter W D.Arabidopsis thaliana as a model system to study synthesis，structure，and function of the plant cell wall［J］.Plant Physiology and Biochemistry，1998，36(1/2):167-176.