楊少輝， 王潔華， 宋英今， 胡榮峰

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072)

木材對(duì)人類生活具有重要的意義，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。木材不僅為我們提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)原材料，還可以在防風(fēng)固沙、凈化空氣、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮重要作用[1]。楊樹(shù)具有速生、輪伐期短、成材早、易繁殖、用途廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為世界中緯度地區(qū)栽培面積最大的速生豐產(chǎn)林和生態(tài)防護(hù)林樹(shù)種。因此，根據(jù)市場(chǎng)需求培育不同用途的楊樹(shù)新品種已經(jīng)成為目前產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的必然趨勢(shì)，而利用基因工程手段改良林木材性是加速林木新品種選育的創(chuàng)新手段。隨著楊樹(shù)基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，楊樹(shù)中功能基因的克隆和功能基因組學(xué)的研究被大大推進(jìn)。木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種主要成分組成，闡明它們的生物合成機(jī)理是我們理解木材形成過(guò)程的第一步?，F(xiàn)階段，纖維素和木質(zhì)素相關(guān)研究較為廣泛，而半纖維素的研究相對(duì)很少[2,3]。

在植物體內(nèi)，化合物的糖基化是一種很普遍的生理現(xiàn)象，是植物細(xì)胞維持代謝平衡的主要機(jī)制之一[4]。植物糖基轉(zhuǎn)移酶是專門(mén)負(fù)責(zé)催化糖基化反應(yīng)的酶，它將活性糖基從核苷糖，通常是從尿嘧啶核苷二磷酸-葡萄糖轉(zhuǎn)移到次級(jí)代謝物等一系列化合物受體上[5]。糖基轉(zhuǎn)移酶具有多種功能和生物活性，作用底物廣，同時(shí)糖基化還能產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，因此糖基轉(zhuǎn)移酶對(duì)植物小分子化合物的作用影響著植物生長(zhǎng)發(fā)育的眾多方面。研究發(fā)現(xiàn)，糖基轉(zhuǎn)移酶在楊樹(shù)木質(zhì)部中參與碳水化合物的合成和重構(gòu)，進(jìn)而直接影響木質(zhì)部的發(fā)育，理解這些糖基轉(zhuǎn)移酶在木材形成過(guò)程中的作用機(jī)理將有助于我們理解木材形成的整個(gè)過(guò)程，并為將來(lái)改良材性奠定基礎(chǔ)[6]。本文針對(duì)楊樹(shù)中參與次生細(xì)胞壁生物合成的糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族及其生物學(xué)功能進(jìn)行了綜述，并對(duì)其在選育和改良楊樹(shù)品種方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 糖基轉(zhuǎn)移酶及其家族簡(jiǎn)介

糖基轉(zhuǎn)移酶是多基因家族編碼，其數(shù)量幾乎占到古細(xì)菌、細(xì)菌和真核生物體基因產(chǎn)物的1%～2%[7]。通常，糖基轉(zhuǎn)移酶的分類是按照其催化反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)底物的特異性來(lái)進(jìn)行的，但是隨著糖基轉(zhuǎn)移酶數(shù)量的急劇增加，人們對(duì)其按照序列的同源性重新進(jìn)行了分類[8,9]。目前為止，生物界的糖基轉(zhuǎn)移酶被劃分為92個(gè)家族[10]，其中，糖基轉(zhuǎn)移酶家族1(GT1)，通常指UDP-糖基轉(zhuǎn)移酶(UGTs)，是植物中最大的糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族。這個(gè)家族中的酶所催化的底物是一些親脂性的小分子化合物，一個(gè)或多個(gè)糖基可以結(jié)合在這些分子的-OH、-COOH、-NH2、-SH或C-C基團(tuán)上[11]。在許多物種間，UGT基因中能夠編碼蛋白的基因占該物種總基因數(shù)比例相似[7]；但是，對(duì)于特定的糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族而言，不同物種則占有不同的比例[10]。在擬南芥和水稻中，GT1所占比例分別為>25%和>35%，而GT2、GT8、GT31 和GT47家族所占比例都接近6%～9%之間。在糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族中，GT2、GT8和GT47家族為植物體內(nèi)所特有的，GT29為人類特有，GT11、GT14 和GT92為線蟲(chóng)特有，GT1和GT31家族為大部分生物體中都共有[10]。

植物糖基轉(zhuǎn)移酶在植物體內(nèi)催化糖苷鍵的形成，從而合成天然寡聚糖[7]。1,4-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶是目前研究最為廣泛的、具有生物催化作用的糖基轉(zhuǎn)移酶，并且具有巨大的商業(yè)價(jià)值。隨著許多植物基因組測(cè)序的完成，植物糖基轉(zhuǎn)移酶的家族成員不斷增多，許多編碼糖基轉(zhuǎn)移酶的基因被列入基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)中。但目前只有少于5%的糖基轉(zhuǎn)移酶的糖基供體和受體被鑒定出來(lái)，因此要深入地了解糖基轉(zhuǎn)移酶的生物學(xué)功能仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[10]。Yonekura-Sakakibara等[10]為了解陸生植物植物糖基轉(zhuǎn)移酶家族1(UGTs)在進(jìn)化中如何在數(shù)量和功能上進(jìn)行擴(kuò)展，篩選了6種模式植物(小立碗蘚、江南卷柏、毛果楊、水稻、擬南芥和琴葉擬南芥)中的UGT蛋白序列，并從中得到了保守區(qū)域。隨著更多植物糖基轉(zhuǎn)移酶家族成員的結(jié)構(gòu)被破解，加上目前在體外通過(guò)生物化學(xué)獲得大量的、與植物糖基轉(zhuǎn)移酶活性相關(guān)的數(shù)據(jù)，我們有可能預(yù)測(cè)多基因家族中每個(gè)糖基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步了解每種糖基轉(zhuǎn)移酶與底物相互識(shí)別和作用的機(jī)制。

2 楊樹(shù)中與次生細(xì)胞壁生物合成相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族

通過(guò)對(duì)楊樹(shù)木質(zhì)部基因轉(zhuǎn)錄圖譜進(jìn)行分析，已經(jīng)鑒定出25個(gè)與木材形成相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶，它們分別屬于GT2、GT8、GT14、GT31、GT43、GT47和GT61基因家族[12，13]。其中GT47C、GT8D、GT8E/F、GT43A/B在擬南芥中可以找到同源基因[12]。

楊樹(shù)GT2家族包括40個(gè)成員，其中包含楊樹(shù)EST文庫(kù)中的9個(gè)纖維素合成酶[13]。微矩陣和實(shí)時(shí)定量PCR分析結(jié)果表明，楊樹(shù)纖維素合成酶基因(PttCesA1，PttCesA3-1，PttCesA3v-2， PttCesA9)在木質(zhì)部的形成中具有高表達(dá)[13,14]，但其具體的作用機(jī)制并不明確。GT2還包含一個(gè)類纖維素酶基因(PttGT2A)，它在楊樹(shù)形成層組織中高效表達(dá)，可能參與纖維素-多糖的合成。AtCSL9A是與PttGT2A同源性最高的擬南芥纖維素酶基因，通過(guò)T-DNA插入突變分析，它是一種甘露醇糖合成酶，由此推斷，PttGT2A可能作為甘露醇糖合成酶或木聚糖合成酶參與楊樹(shù)次生木質(zhì)部的合成[1]。

GT8基因家族在楊樹(shù)表達(dá)文庫(kù)中找到13個(gè)基因[1]。其中GT8D和GT8E/F與擬南芥中的IRX8和PARVUS分別為同源基因，它們?cè)谄咸侨┠揪厶呛扛叩哪纠w維和維管組織具有特異和高效的表達(dá)，突變這些基因后導(dǎo)致葡糖醛木聚糖的含量下降，葡糖醛木聚糖的還原末端的四糖幾乎完全消失，表明這兩個(gè)基因可能參與葡糖醛木聚糖的還原末端四糖的生物合成過(guò)程[12,15-18]。PttGT8A在楊樹(shù)木質(zhì)部也具有高表達(dá)；PttGT8B和PttGT8C屬于次生細(xì)胞壁中合成特異纖維素酶的基因家族；PttGT8G可能參與果膠的合成[22]，但其催化反應(yīng)的供體和受體仍不明確[1]。

GT14家族和GT31家族各有兩個(gè)成員，分別是PttGT14A和PttGT14B及PttGT31A和PttGT31B。GT14家族的分類和酶特異性目前仍未知。GT31家族在次生細(xì)胞壁的行程中高效表達(dá)，由多個(gè)不同亞家族組成，可能與該家族成員具有多種供體/受體的特異性相關(guān)[1]。

GT43家族包含序列非常相似的PttGT43A和PttGT43B。在irx9擬南芥突變體中過(guò)量表達(dá)PttGT43B可以恢復(fù)缺陷植株的表型，其中包括恢復(fù)次生細(xì)胞壁的厚度以及木糖的含量[20,21]。GT47家族中，PttGT47A-PttGT47D在木質(zhì)部具有高表達(dá)，PttGT47B和PttGT47C到目前還沒(méi)有相關(guān)的功能鑒定，但由于它們?cè)谀举|(zhì)部有高表達(dá)，猜測(cè)它們有可能參與木質(zhì)部的生理活動(dòng)。GT61家族中，在楊樹(shù)ESTs文庫(kù)中只找到一個(gè)候選基因PttGT61A，但其具體作用機(jī)理目前仍不清楚[22,23]。

3 楊樹(shù)糖基轉(zhuǎn)移酶參與次生細(xì)胞壁的生物合成

通過(guò)對(duì)楊樹(shù)不同組織部位進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄圖譜分析，并通過(guò)生物信息學(xué)手段分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)中若干糖基轉(zhuǎn)移酶家族成員會(huì)參與葡糖木聚糖(GX)和纖維素的合成[24]。

3.1 參與葡糖木聚糖(GX)的生物合成

在與木材合成相關(guān)的楊樹(shù)糖基轉(zhuǎn)移酶中，GT47C、GT8D、GT8E/F在擬南芥中的同源基因分別是FRA8/F8H、IRX8 和PARVUS，這些基因都在葡糖木聚糖含量較高的纖維和維管中具有特異性的表達(dá)[15-18]。通過(guò)基因突變、過(guò)量表達(dá)以及突變互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些糖基轉(zhuǎn)移酶家族對(duì)葡糖木聚糖含量和葡糖木聚糖還原端的四糖合成起關(guān)鍵性作用[15-17,20]。將楊樹(shù)GT基因在相關(guān)的擬南芥突變體中進(jìn)行功能互補(bǔ)分析表明，這些參與葡糖木聚糖合成的GT基因在草本植物和木本植物中功能保守[23,24]，因此對(duì)木材中葡糖木聚糖的遺傳修飾可能為生物能源中難以降解的纖維素高效轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟翘峁┝艘粭l新思路[24]。Lee等人利用RNA干擾技術(shù)(RNAi)抑制PoGT47C在楊樹(shù)中的表達(dá)，使楊樹(shù)木材的葡糖木聚糖和纖維素含量明顯下降，纖維和維管厚度顯著降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)纖維素降解度有所提高[25]。Nishikubo等人通過(guò)過(guò)量表達(dá)楊樹(shù)木糖葡聚糖內(nèi)源糖基轉(zhuǎn)移酶(XETs)PtxtXET16-34來(lái)驗(yàn)證其在木材發(fā)育中的功能。結(jié)果表明，所有XETs的編碼基因都在木質(zhì)部發(fā)育中有所表達(dá)，其中有5個(gè)基因的表達(dá)較高而且廣泛，PtxtXET16-34具有特異性表達(dá)，它們的轉(zhuǎn)基因植株中細(xì)胞壁的木糖葡聚糖發(fā)生了改變，但其效果取決于植株的發(fā)育時(shí)期。由于PtxtXET16-34的過(guò)量表達(dá)會(huì)促進(jìn)導(dǎo)管發(fā)育而不是纖維的延伸，它們可能在某種程度上決定著細(xì)胞壁的致密與疏松程度[26]。

3.2 參與纖維素的生物合成過(guò)程

纖維素微纖維通過(guò)定位在質(zhì)膜上的玫瑰花結(jié)狀復(fù)合物合成，該復(fù)合物可能由3個(gè)不同的纖維素酶蛋白(GT2)、SUS(GT4)和其他未經(jīng)鑒定的蛋白組成的[27]，因而，研究與其相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)和功能，將有助于揭示纖維素微原纖維合成的機(jī)理。通過(guò)對(duì)特定組織進(jìn)行基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和生物信息學(xué)等分析，發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)的合成纖維素酶基因(PttCesA1、PttCesA3-1、PttCesA3-2、PttCesA9)屬糖基轉(zhuǎn)移酶家族，這些基因在白楊木質(zhì)部形成過(guò)程中為高表達(dá)[13,14]。在楊樹(shù)、水稻、大麥和擬南芥中與次生細(xì)胞壁相關(guān)的纖維素酶基因也相繼被鑒定出來(lái)[1]，但其具體作用機(jī)制還不明確。

4 展望

生物界的糖基轉(zhuǎn)移酶共包括92個(gè)家族，在許多物種中，編碼糖基轉(zhuǎn)移酶的基因在總基因數(shù)中的比例相似[28]；但是，在不同糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族中的比例不同[10]。隨著更多物種全基因組測(cè)序的完成，與次生細(xì)胞壁生物合成相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族成員會(huì)迅速得到挖掘和鑒定擴(kuò)展，同時(shí)還需要實(shí)驗(yàn)去證實(shí)它們的生物學(xué)功能。本文對(duì)楊樹(shù)中7個(gè)與次生細(xì)胞壁形成相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶家族的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，這些GT家族的大多數(shù)成員已經(jīng)被挖掘出來(lái)，而且它們的擬南芥同源基因的功能也得到了鑒定，但是，在木本植物中，對(duì)這些GTs的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控的研究還比較少，還需要更多的相關(guān)研究來(lái)闡明其生理功能和作用機(jī)理。

隨著人口的膨脹，環(huán)境的惡化，導(dǎo)致了能源和環(huán)境的危機(jī)。木材是人類最古老的可再生能源，也是紡織、紙漿、造紙以及其它產(chǎn)品的原材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，利用植物纖維來(lái)獲得新型產(chǎn)品的可能性被大大拓展，木材原材料的結(jié)構(gòu)、成分和性質(zhì)均可以通過(guò)生物工程的方法加以改變。楊樹(shù)是重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)林木，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決木材短缺起著很大作用。隨著楊樹(shù)的全基因組測(cè)序的完成，與次生細(xì)胞壁生物合成相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶基因家族成員會(huì)迅速得到分離與鑒定，這必將為楊樹(shù)育種者提供更多的選擇和思路。

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