李 翔 ，陳信波 ，鄒 杰 ，龍松華 ，鄧 欣

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

韌皮纖維產(chǎn)生于雙子葉植物的韌皮部位，它的特點(diǎn)是纖維特別的長(zhǎng),纖維素含量高，木質(zhì)素含量少以及次生細(xì)胞壁加厚。主要的韌皮纖維植物是麻類，例如亞麻、黃麻、苧麻、紅麻、大麻等。韌皮纖維包括初生韌皮纖維和次生韌皮纖維。其中亞麻、苧麻、大麻初生韌皮纖維發(fā)達(dá)，主要利用的是初生韌皮纖維；黃麻和紅麻利用的是次生韌皮纖維[1]。它們廣泛應(yīng)用于紡織，制造繩索，麻布，工業(yè)用厚布，包裝材料等行業(yè)。亞麻是自然界三大纖維作物之一。其纖維具有拉力強(qiáng)、柔軟、細(xì)度好等特點(diǎn)。亞麻屬二倍體植物，具有基因組?。ù蠹s700 Mbp）、自花授粉、植株相對(duì)比較小等優(yōu)勢(shì)，作為韌皮纖維發(fā)育遺傳和分子機(jī)理研究的模式植物。在分子水平上研究其發(fā)育規(guī)律有助于提高韌皮纖維的質(zhì)量和產(chǎn)量。

亞麻纖維的質(zhì)量與細(xì)胞壁的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)相關(guān)。成熟的亞麻韌皮纖維組成成分主要為70%～75%的纖維素，15%的半纖維素，10%～15%的果膠以及1.5%～4.2%的H型木質(zhì)素[2-3]。在發(fā)育成熟的韌皮纖維中，纖維素被含有β-半乳聚糖的非纖維素所覆蓋包裹[4-5]。

1 亞麻韌皮纖維細(xì)胞發(fā)育

亞麻韌皮纖維主要為初生韌皮纖維，纖維束由12～40個(gè)纖維細(xì)胞組成。韌皮纖維細(xì)胞起源于頂端分生組織的原形成層產(chǎn)生的原生韌皮部中細(xì)胞質(zhì)濃厚、較大的細(xì)胞，在發(fā)育過(guò)程中常出現(xiàn)多核[1]。隨著植株生長(zhǎng)，韌皮纖維細(xì)胞發(fā)育主要經(jīng)歷兩個(gè)階段：細(xì)胞伸長(zhǎng)和次生細(xì)胞壁加厚。與棉纖維細(xì)胞這兩個(gè)階段發(fā)育不同，亞麻韌皮纖維細(xì)胞的這兩個(gè)階段是不重疊的[6-7]。

1.1 韌皮纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)

細(xì)胞伸長(zhǎng)主要包括協(xié)同生長(zhǎng)（coordinated growth）和侵入生長(zhǎng)（intrusive growth），其中協(xié)同生長(zhǎng)只持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，侵入生長(zhǎng)持續(xù)2～4 d，每天伸長(zhǎng)1～2 cm。單個(gè)纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)結(jié)束時(shí)可以達(dá)到平均33 mm的長(zhǎng)度，這都是由侵入生長(zhǎng)決定的。協(xié)同生長(zhǎng)的細(xì)胞含有較少的基粒類囊體，核分裂是同步的，胞間連絲也是存在的。侵入生長(zhǎng)時(shí)期的細(xì)胞含有較多的基粒類囊體，核分裂不同步，具有多核，沒(méi)有胞間連絲，使得纖維發(fā)育成為獨(dú)立的共質(zhì)體區(qū)域[8]。植物細(xì)胞中，侵入生長(zhǎng)主要有兩種形式：頂端生長(zhǎng)（tip growth）和擴(kuò)散生長(zhǎng)（surface/diffusive growth）。亞麻韌皮纖維細(xì)胞的侵入生長(zhǎng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間被認(rèn)為是頂端生長(zhǎng)模式，然而Gorshkova等[9]由放射自顯影標(biāo)記結(jié)果得出的結(jié)論是亞麻韌皮纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)主要表現(xiàn)為擴(kuò)散生長(zhǎng)，而不是頂端生長(zhǎng)。這個(gè)結(jié)論也由Ageeva等[10]通過(guò)微管蛋白免疫標(biāo)記，電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡等實(shí)驗(yàn)得以證實(shí)。

1.2 韌皮纖維細(xì)胞次生壁加厚

植株進(jìn)入快速生長(zhǎng)期時(shí)，出現(xiàn)分界點(diǎn)（the snap point），分界點(diǎn)以上的細(xì)胞停止伸長(zhǎng)，分界點(diǎn)以下的細(xì)胞就進(jìn)行細(xì)胞壁加厚[11]。隨著植株的生長(zhǎng)，分界點(diǎn)沿著莖向上移，當(dāng)莖的發(fā)育完成，進(jìn)入開(kāi)花期（一般在發(fā)芽7周后），分界點(diǎn)消失。次生細(xì)胞壁加厚與纖維素沉積息息相關(guān)，纖維素的沉積量決定細(xì)胞壁厚度，韌皮纖維品質(zhì)也是由這個(gè)階段決定的。纖維束外部細(xì)胞的次生細(xì)胞壁先加厚，加厚的過(guò)程一般持續(xù)2個(gè)月左右，纖維束各細(xì)胞細(xì)胞壁在橫截面上的加厚程度差異很小。與其它類型細(xì)胞的細(xì)胞壁只有0.1～1.0μm不同，成熟的韌皮纖維細(xì)胞壁能達(dá)到10μm以上。這個(gè)時(shí)期，半乳糖體自由基含量很高（14mM），是細(xì)胞侵入生長(zhǎng)伸長(zhǎng)時(shí)的13～20倍。β-半乳糖苷酶活性也很高，它以組織階段特異性的β-1,4半乳糖體為底物[12]。可溶性高分子量半乳聚糖以及其特異的高爾基體囊泡在整個(gè)細(xì)胞伸長(zhǎng)時(shí)期是不存在的，而是在早期的細(xì)胞壁加厚時(shí)期開(kāi)始積累，纖維成熟時(shí)期消失[13]。

Girault等[14]通過(guò)Yariv試劑在次生細(xì)胞壁中觀察到含量比較豐富的阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）以及其定位，推測(cè)次生細(xì)胞壁沉積方式是按照?qǐng)A形環(huán)狀循環(huán)排列的。AGP骨架主要是由谷氨酸，天冬氨酸，絲氨酸，丙氨酸，甘氨酸和蘇氨酸組成，缺少羥脯氨酸。Hotte等[15]通過(guò)質(zhì)譜法和雙向電泳檢測(cè)亞麻韌皮纖維細(xì)胞次生壁發(fā)育早期抽提的蛋白質(zhì)組，發(fā)現(xiàn)鉀離子通道亞基，鈣磷脂結(jié)合蛋白，膜孔蛋白，分泌途徑組件，β-淀粉酶，β-半乳糖苷酶以及果膠和半乳糖合成酶的含量很高。這些都與之前用組織和生物化學(xué)手段研究旺盛的次生細(xì)胞壁沉積過(guò)程相一致，特別是重要的半乳聚糖和分泌蛋白[13]。大量的β-淀粉酶的存在，可推測(cè)出淀粉可能是亞麻韌皮纖維細(xì)胞壁的原始材料。鈣磷脂蛋白在纖維發(fā)育過(guò)程中，可能與纖維素的合成有關(guān)。熱激蛋白HSP60，HSP70，HSP90 含量也很高[15]，推測(cè)其與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)折疊，蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)骄€粒體和葉綠體有關(guān)。特別是HSP70，可能與亞麻纖維次生細(xì)胞壁沉積過(guò)程中質(zhì)膜形成有關(guān)。

2 纖維特異性半乳聚糖和高爾基體在次生細(xì)胞壁加厚中的作用

纖維特異性半乳糖體在亞麻纖維細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中擔(dān)任著重要的角色。這種特異性半乳聚糖出現(xiàn)在次生細(xì)胞壁加厚時(shí)期，它大體（90%）是以鼠李糖為骨架，側(cè)鏈由半乳糖體按照β-1,4連接構(gòu)成，類似Ⅰ型聚鼠李半乳糖醛酸（RG-Ⅰ）聚合體。它們大多數(shù)都是短鏈，也有含28個(gè)半乳糖基的長(zhǎng)鏈。其分子量在700～2 000 kDa范圍之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從成熟纖維細(xì)胞壁抽提出的半乳聚糖[16-18]。纖維成熟時(shí)，觀察到兩種類型結(jié)構(gòu)的交聯(lián)半乳聚糖，類似于可溶性半乳聚糖長(zhǎng)側(cè)鏈的C-L結(jié)構(gòu)和短鏈的C-S結(jié)構(gòu)。通過(guò)脈沖追蹤實(shí)驗(yàn)得出，可溶性半乳聚糖固定在細(xì)胞壁上，導(dǎo)致半乳聚糖交聯(lián)。它也能夠使纖維素合成后結(jié)晶的時(shí)間延遲，這可能推測(cè)出其在纖維素微纖絲軸向取向中起著重要的作用[19]。

特異的半乳聚糖是通過(guò)特異的高爾基體囊泡分泌的。次生細(xì)胞壁形成階段的高爾基體囊泡具有兩種顏色（中間是暗的，周圍是亮的），很容易與纖維細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中其他組織或不同階段的囊泡區(qū)別開(kāi)來(lái)。許多這種特異性高爾基體囊泡互相融合在一起，形成大的液泡，最大直徑可達(dá)4μm。最后，這種雙色的囊泡和液泡與細(xì)胞質(zhì)膜融合，以類似注射的方式，將囊泡里的內(nèi)含物，如組織特異性的β-1,4半乳糖體釋放到周質(zhì)，在細(xì)胞壁的內(nèi)側(cè)表面形成暗帶[8]。高爾基體囊泡的融合為細(xì)胞壁合成組裝提供了充足的原料。特異性的半乳糖體被釋放到大面積的周質(zhì)中，能增加其與纖維素微纖絲相遇的機(jī)會(huì)，從而為細(xì)胞壁纖維素微纖絲軸向組裝提供原料。

3 ESTs和基因芯片分析在亞麻韌皮纖維細(xì)胞發(fā)育中的研究進(jìn)展

Day等[20]通過(guò)對(duì)亞麻開(kāi)花期中期的韌皮纖維組織927條ESTs進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4.4%的ESTs是與細(xì)胞壁形成和成熟相關(guān)的。其中表達(dá)量高的有β-木糖苷酶，纖維素合成酶（CesA），木葡聚糖核內(nèi)轉(zhuǎn)移/水解酶（XTH），β-半乳糖苷酶以及過(guò)氧化物酶基因。Roach等[21]對(duì)亞麻韌皮部cDNA文庫(kù)分析得到一致的結(jié)果。CesA在開(kāi)花期和綠熟期表達(dá)量高，這個(gè)時(shí)期是次生細(xì)胞壁進(jìn)一步加厚，纖維素沉積，纖維逐漸成熟的時(shí)期。肉桂酰輔酶A還原酶（CCR）基因在快速生長(zhǎng)期表達(dá)量高于開(kāi)花期，表明木質(zhì)化始于這個(gè)時(shí)期。

Roach等在此基礎(chǔ)上做了兩個(gè)系列的基因芯片和qRT-PCR分析。在細(xì)胞伸長(zhǎng)階段，存在很多水通道蛋白和使細(xì)胞壁變松散的碳水化合物酶。水通道蛋白能調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓，當(dāng)滲透壓大的時(shí)候可以抑制協(xié)同生長(zhǎng)。果膠酯酶能將細(xì)胞壁的果膠基質(zhì)變得松散，XTH能改變木葡聚糖的結(jié)構(gòu)以此適應(yīng)細(xì)胞膨脹，這些都與細(xì)胞伸長(zhǎng)有關(guān)。次生細(xì)胞壁加厚時(shí)期，蔗糖合成酶（SuSy）和果膠激酶含量豐富，纖維素合成酶就是以蔗糖合成酶合成的尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）為底物，合成纖維素[22]?；蛐酒蛯?shí)時(shí)熒光定量PCR分析得出阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP），阿拉伯半乳聚糖成束蛋白家族（FLA）和脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白（LTPs）基因大量轉(zhuǎn)錄表達(dá)。在大麻韌皮纖維發(fā)育的基因芯片分析中也發(fā)現(xiàn)這三種蛋白基因的大量轉(zhuǎn)錄表達(dá)[23]。AGP與半乳聚糖的形成和纖維素微纖絲軸向取向有關(guān)。FLA蛋白家族在翻譯后修飾比較多，通過(guò)對(duì)亞麻和富含凝膠纖維的白楊應(yīng)拉木該基因的序列分析，發(fā)現(xiàn)其功能區(qū)域的保守性很強(qiáng)[24]。LTPs能提高細(xì)胞壁的伸展性，與纖維素合成有關(guān)，這些在煙草和棉花中得到證實(shí)[25-26]，推測(cè)這三類蛋白在韌皮纖維發(fā)育過(guò)程中起著重要作用。

4 展 望

韌皮纖維細(xì)胞發(fā)育是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受很多基因表達(dá)調(diào)控影響。亞麻由于自身的優(yōu)勢(shì)可作為研究韌皮纖維發(fā)育和次生細(xì)胞壁形成的模式植物。由于包括亞麻在內(nèi)的麻類基因組測(cè)序還未完成，很多與韌皮纖維細(xì)胞發(fā)育相關(guān)的基因功能尚未具體鑒定和闡述。但是隨著亞麻韌皮部cDNA文庫(kù)的建立，EST，基因芯片和蛋白質(zhì)組分析的發(fā)展，可以從中選取與纖維發(fā)育相關(guān)的候選基因，進(jìn)行基因功能鑒定，這將對(duì)研究韌皮纖維細(xì)胞發(fā)育的基因調(diào)控分子機(jī)理有很大的幫助。再加上近年來(lái)各種分子標(biāo)記的開(kāi)發(fā)[27]，可以進(jìn)一步篩選出與纖維細(xì)胞發(fā)育相關(guān)的標(biāo)記。利用分子標(biāo)記輔助育種和基因工程技術(shù)培育出優(yōu)良品質(zhì)的亞麻韌皮纖維新品種也將指日可待。

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