朱 玲　賈昌路　張 銳

(1 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾 843300)(3 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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木質(zhì)素生物合成及其關(guān)鍵酶基因的研究進(jìn)展

朱 玲1,2賈昌路1張 銳2，3*

(1 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾 843300)(3 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

木質(zhì)素是一種植物體內(nèi)重要的大分子有機(jī)物質(zhì)，其含量?jī)H次于纖維素。在增強(qiáng)植物體機(jī)械強(qiáng)度、抵御外界不良環(huán)境侵襲以及疏導(dǎo)組織水分運(yùn)輸?shù)确矫嫫鹬匾饔?。木質(zhì)素的含量及組成對(duì)果實(shí)品質(zhì)及抗逆性等有重要的影響，如核桃內(nèi)果皮中木質(zhì)素的含量及組成對(duì)于核桃的果實(shí)品質(zhì)、內(nèi)果皮發(fā)育、果皮的完整性(露仁)等有直接影響。因此，本文重點(diǎn)對(duì)植物木質(zhì)素生物合成及其關(guān)鍵酶基因的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為從木質(zhì)素合成領(lǐng)域著手改良果實(shí)品質(zhì)奠定理論基礎(chǔ)。

木質(zhì)素； 生物合成； 關(guān)鍵酶

木質(zhì)素(Lignin)是一種植物體內(nèi)重要的大分子有機(jī)物質(zhì)，出現(xiàn)在次生加厚的細(xì)胞壁中,其含量?jī)H次于纖維素[1]。它與纖維素、半纖維素是構(gòu)成植物骨架的主要成分，被稱為組成植物體的“三素”。木質(zhì)素作為植物細(xì)胞壁的重要組分，以包容物質(zhì)的形式分散在纖維素之中及其周圍。它不僅能增強(qiáng)植物體機(jī)械強(qiáng)度及細(xì)胞壁的硬度，并且具有抵御外界不良環(huán)境侵襲及疏導(dǎo)組織水分運(yùn)輸?shù)榷喾N生物學(xué)功能[2,3]。木質(zhì)素在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛，例如在肥料、農(nóng)藥、飼料、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等方面具有非常重要的作用[4]。

在過(guò)去幾十年間，眾多學(xué)者利用分子生物學(xué)及生物化學(xué)等方法對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行深入地研究和探索，使人們對(duì)于木質(zhì)素的生物合成及與其相關(guān)的酶基因有了進(jìn)一步的了解。近年來(lái)，多種與木質(zhì)素生物合成相關(guān)酶的編碼基因被分離出來(lái)并進(jìn)行了克隆和分析。學(xué)者們通過(guò)調(diào)控木質(zhì)素生物合成途徑中關(guān)鍵酶基因的表達(dá)，使相應(yīng)的酶活性發(fā)生改變，從而阻斷或促進(jìn)木質(zhì)素的生物合成途徑。最終造成木質(zhì)素含量或單體組成發(fā)生變化的目的，進(jìn)而可以改良植物的應(yīng)用特性。核桃是由內(nèi)果皮(硬殼)及種仁組成，其內(nèi)果皮中木質(zhì)素的含量及組成直接影響到了核桃果實(shí)的品質(zhì)。因此，本文對(duì)于目前木質(zhì)素生物合成及其關(guān)鍵酶基因的研究進(jìn)展做一簡(jiǎn)要綜述，為今后從木質(zhì)素合成方面研究核桃等核果類果實(shí)的內(nèi)果皮發(fā)育，進(jìn)而改良果實(shí)品質(zhì)等方面的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1　木質(zhì)素的構(gòu)成

木質(zhì)素是存在于高等植物中的一種三維網(wǎng)狀的天然高分子聚合物，由苯丙烷單體聚合而成。香豆醇(p-coumaryl alcohol)、松柏醇(coniferyl alcohol)、和芥子醇(sinapyl alcohol)這3種苯丙烷單體被認(rèn)為是高等植物中組成木質(zhì)素的三種主要的單體，并且根據(jù)這些單體來(lái)源的不同可將木質(zhì)素分為3種類型：第一類是由對(duì)-羥基苯基丙烷單體(香豆醇)聚合而成的對(duì)-羥基苯基木質(zhì)素(hydroxy-phenyl lignin，H-木質(zhì)素)；第二類是由愈創(chuàng)木基丙烷單體(松柏醇)聚合而成的愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(guaiacyl lignin，G-木質(zhì)素)；最后一類是由紫丁香基丙烷單體(芥子醇)聚合而成紫丁香基木質(zhì)素(syringyl lignin，S-木質(zhì)素)[5,6,7]。這三種類型的木質(zhì)素在不同類型的植物體中的分布不同，如H-木質(zhì)素在禾本科植物中分布較為廣泛，G-木質(zhì)素廣泛的分布在被子植物和裸子植物中，而S-木質(zhì)素主要分布于被子植物中[8]。此外，隨著人們對(duì)于木質(zhì)素生物合成途徑進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，發(fā)現(xiàn)自然界中的木質(zhì)素單體并不止以上三種苯丙烷單體類型，還有其它形式的單體同樣參與到了木質(zhì)素的生物合成，Lu等[9]在一些植物中發(fā)現(xiàn)，乙?；哪举|(zhì)素單體在木質(zhì)素組成中占有一定的比例。

2　木質(zhì)素的生物合成途徑

木質(zhì)素的生物合成是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，其生物合成途徑大體可分為3個(gè)主要的過(guò)程：首先各種苯丙烷單體通過(guò)多種相關(guān)的酶催化后合成相應(yīng)木質(zhì)素單體；然后這些木質(zhì)素單體進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸；最終這些木質(zhì)素單體直接羥化聚合為木質(zhì)素。由此看出，木質(zhì)素單體的生物合成是木質(zhì)素生物合成途徑中最關(guān)鍵的過(guò)程，因此木質(zhì)素的生物合成途徑主要是指木質(zhì)素單體的生物合成途徑。有研究表明，木質(zhì)素單體是在植物細(xì)胞質(zhì)中完成合成的，再通過(guò)醚鍵、酯鍵或碳-碳鍵等化學(xué)鍵連接在一起，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至相應(yīng)的木質(zhì)化沉積位點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存，最后在細(xì)胞壁中脫氫羥化聚合成木質(zhì)素[10,11]。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)木質(zhì)素幾十年的研究，雖然至今對(duì)木質(zhì)素單體的具體代謝途徑尚未完全清楚，但人們廣泛認(rèn)同的木質(zhì)素單體合成途徑大致可分為3個(gè)步驟[5,6,12]：(1)莽草酸代謝途徑：植物光合作用后的同化產(chǎn)物到苯丙氨酸和酪氨酸等芳香族氨基酸的合成過(guò)程；(2)苯丙烷代謝途徑：從芳香族氨基酸到羥基肉桂酸及其輔酶A酯類化合物的過(guò)程；(3)木質(zhì)素合成的特異途徑：從羥基肉桂酸及其輔酶A酯類到合成木質(zhì)素單體及其脫氫羥化聚合成木質(zhì)素的過(guò)程。現(xiàn)階段，人們廣泛認(rèn)同的木質(zhì)素單體合成途徑如圖1所示。苯丙烷代謝途徑以及木質(zhì)素合成的特異途徑被認(rèn)為是在木質(zhì)素單體的合成途徑中主要的途徑。研究表明，有多種酶參與到這兩種途徑中，如：苯丙氨酸裂解酶(Phenylalanine ammonia-lyase ，PAL)、肉桂酸4-羥基裂解酶(Cinnamate 4-hydroxylase ，C4H)、香豆酸3-羥基化酶(Coumarate 3-hydroxylase ,C3H)等是苯丙烷代謝途徑的關(guān)鍵酶；而在木質(zhì)素合成的特異途徑中的關(guān)鍵酶有：香豆酰輔酶A還原酶(Cinnamoyl-CoA reductase ,CCR)肉桂醇脫氫酶(Cinnamyl alcohol dehydrogenase ,CAD)等[12,13]。

圖1　木質(zhì)素單體生物合成途徑[14]

注:PAL:苯丙氨酸裂解酶，Phenylalanine ammonia-lyase; C4H:肉桂酸-4-羥基化酶，Cinnamate 4-hydroxylase ;4CL:4-香豆酸輔酶A連接酶，4-hydroxycinnamate CoA ligase; C3H:香豆酸-3-羥基化酶，Coumarate 3-hydroxylase; CCoAOMT:咖啡酰輔酶A氧甲基轉(zhuǎn)移酶，Caffeoyl-CoA O-methyltransferase; F5H:阿魏酸-5-羥基化酶，F(xiàn)erulate-5-hydroxylase;COMT:咖啡酸氧甲基轉(zhuǎn)移酶，Caffeicacid/5-hydroxy coniferaldehyde O-methyltransferase; CCR:肉桂酰輔酶A還原酶，Cinnamoyl-CoA reductase; CAD:肉桂醇脫氫酶，Cinnamyl alcohol dehydrogenase。

3　木質(zhì)素生物合成中關(guān)鍵酶基因的研究進(jìn)展

3.1苯丙氨酸解氨酶(PAL)

PAL是木質(zhì)素單體生物合成途徑中的首個(gè)關(guān)鍵酶，是苯丙烷代謝途徑中的第一限速酶，也是苯丙烷代謝途徑中研究最多的酶，它可使苯丙氨酸被催化脫氨基生成反式肉桂酸[15]。 PAL幾乎存在于所有綠色植物中，目前已從小麥、苜蓿、石斛、枸杞、番茄等幾十種植物中成功獲得了PAL的編碼基因[16-20]。一般認(rèn)為植物中的PAL基因?qū)儆诙嗷蚣易澹辽俸?到4個(gè)亞型[21]。Ujwal研究發(fā)現(xiàn)[22]，在火炬松中至少存在5個(gè)不同的PAL基因(ptPAL1-5)。PAL是最早被鑒定的植物防御性基因之一，有研究表明PAL與植物的防御生理與應(yīng)激有著密切的聯(lián)系，并受病原和環(huán)境脅迫等因素誘導(dǎo)表達(dá)[23]。PAL在植物細(xì)胞分化和木質(zhì)化過(guò)程及抗病與抗蟲(chóng)害、抗旱、抗寒等方面起到極其重要的作用[24]。

有研究表明，抑制了PAL表達(dá)的轉(zhuǎn)基因煙草，無(wú)論是正義或是反義抑制其PAL活性，都會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素含量的降低，并伴隨S/G比值的升高，同時(shí)其生長(zhǎng)發(fā)育亦受到了嚴(yán)重的影響[25]，即導(dǎo)致該植物出現(xiàn)非正常生長(zhǎng)或者出現(xiàn)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的下降現(xiàn)象。這些非正常生長(zhǎng)是包括植物的生長(zhǎng)變得緩慢或停滯生長(zhǎng)，次生木質(zhì)部細(xì)胞壁變薄，抵御病害的能力下降。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于苯丙烷代謝產(chǎn)物與其它次生代謝產(chǎn)物的合成密切相關(guān)，PAL活性的抑制，影響了其它木質(zhì)素等代謝產(chǎn)物的合成。由于PAL的特殊位置，其活性的高低變化對(duì)于整個(gè)苯丙烷代謝途徑至關(guān)重要，故調(diào)控PAL基因會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素生物合成途徑產(chǎn)生變化，從而嚴(yán)重影響其它產(chǎn)物的合成，因此很有可能會(huì)導(dǎo)致植物性狀的變化。

3.2肉桂酸-4-羥基化酶(C4H)

C4H屬于植物細(xì)胞色素P450的cYP73亞族，是一種單氧化酶。C4H是苯丙烷代謝途徑的第二個(gè)關(guān)鍵酶，能利用PAL催化產(chǎn)生的肉桂酸催化其C4位置，羥基化形成對(duì)-羥基香豆酸[27]。

有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C4H酶的活性受到抑制后，轉(zhuǎn)基因煙草的木質(zhì)素含量明顯減少，同時(shí)，調(diào)控C4H表達(dá)還會(huì)造成木質(zhì)素構(gòu)成的改變，使得S/G比值會(huì)降低，但生長(zhǎng)無(wú)異?，F(xiàn)象[28]。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于木質(zhì)素單體的生物合成早在苯丙烷代謝途徑的入口處就可能發(fā)生了S和G的特異性分支。同時(shí)，也有可能是由于C4H對(duì)S木質(zhì)素的生物合成具有非常強(qiáng)的調(diào)控能力，而G木質(zhì)素的合成途徑也許能夠跨越C4H的催化步驟，因此會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果。但這一結(jié)果還有待分子生物學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科提供有效的證據(jù)支撐。

3.34-香豆酸輔酶A連接酶(4CL)

4CL是苯丙烷代謝途徑中的最后一個(gè)關(guān)鍵酶，通常以基因家族形式存在于植物中，4CL可將羥基肉桂酸乙?；闪u基肉桂酰-CoA酯[29]。目前，已從桑樹(shù)[30]、棉花[31]、光皮樺[32]等十幾種植物中成功克隆出4CL編碼基因。

通過(guò)對(duì)多種轉(zhuǎn)基因植物的研究發(fā)現(xiàn)，不同植物的4CL功能并不相同，在不同的植物中所得結(jié)果也不一致。早期研究發(fā)現(xiàn)，抑制4CL活性會(huì)導(dǎo)致煙草和擬南芥等植物的木質(zhì)素含量下降[30,31]，但S/G比例的變化不盡相同。有研究表明，抑制轉(zhuǎn)基因擬南芥的4CL活性后，導(dǎo)致S/G的值降低，其中S-木質(zhì)素含量下降，但G-木質(zhì)素?zé)o明顯變化[33]。然而轉(zhuǎn)基因煙草的4CL活性被抑制后，雖然S-木質(zhì)素和G-木質(zhì)素含量均降低，但與轉(zhuǎn)基因擬南芥的結(jié)果不同的是，G-木質(zhì)素降低幅度大于較S-木質(zhì)素[34]。同時(shí)，這兩種轉(zhuǎn)基因植物的生長(zhǎng)特性也出現(xiàn)了差別，擬南芥生長(zhǎng)正常而煙草卻出現(xiàn)了矮化現(xiàn)象。Hu等發(fā)現(xiàn)[35]轉(zhuǎn)基因楊樹(shù)的莖中木質(zhì)素含量下降，S/G比值卻無(wú)明顯變化。賈彩紅等[36]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)4CL活性被抑制后，可導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因毛白楊木質(zhì)素含量的降低。根據(jù)以上幾種植物的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抑制4CL活性的轉(zhuǎn)基因植物的木質(zhì)素含量均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這表明4CL在木質(zhì)素單體生物合成途徑中為起到限速酶的作用，但其具體功能因植物種類而異。

3.4香豆酸-3-羥基化酶(C3H)

C3H是木質(zhì)素生物合成中關(guān)鍵酶之一，研究相對(duì)較晚。其作用是催化肉桂酸向香豆酸的轉(zhuǎn)化，最適催化底物是甲酰肉桂酯類化合物[37]。Franke等[38]利用圖位克隆方法從擬南芥中成功分離出REF8基因，并證實(shí)該基因編碼C3H，屬于CyP98A3基因家族中的成員，且得出C3H實(shí)質(zhì)上是一種細(xì)胞色素P450單氧化物酶這一結(jié)論。研究者們還從‘歐美楊107’次生木質(zhì)部RNA中克隆出木質(zhì)素合成酶C3H基因片段，初步斷定其為CYP98A3家族中的一員[39]。C3H作為調(diào)控木質(zhì)素單體生物合成途徑的關(guān)鍵酶，對(duì)于植物的綜合利用有著重要的意義。但目前對(duì)C3H遺傳特性的認(rèn)識(shí)還比較淺顯，關(guān)于對(duì)調(diào)控該酶的活性從而影響植物體木質(zhì)素含量的研究也相對(duì)較少。

3.5肉桂酰輔酶A還原酶(CCR)

CCR是木質(zhì)素合成特異途徑的第一個(gè)關(guān)鍵酶，它可以催化羥基肉桂酰輔酶A類物質(zhì)，使其進(jìn)行還原反應(yīng)，生成相應(yīng)的肉桂醛。通過(guò)生物信息學(xué)分析，得知CCR基因同C3H、4CL基因一樣，所編碼的主要氨基酸種類均為Val、Ala及Gly，說(shuō)明這3種氨基酸可能與木質(zhì)素合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶有重要聯(lián)系[40]。有報(bào)道認(rèn)為CCR對(duì)木質(zhì)素生物合成途徑中的碳流具有潛在的調(diào)控作用[41]，因此它的負(fù)調(diào)節(jié)可能會(huì)對(duì)植物體中木質(zhì)素含量產(chǎn)生一定的影響。陳剛等[42]發(fā)現(xiàn)同一品種、不同組織中CCR基因的表達(dá)量存在組織特異性，表達(dá)量與組織木質(zhì)化的程度呈正相關(guān)[42]。有研究表明CCR轉(zhuǎn)基因煙草的木質(zhì)素含量降低，但導(dǎo)管塌陷，且生長(zhǎng)量減少[43]。Goujon等[44]研究發(fā)現(xiàn)，反義抑制轉(zhuǎn)基因擬南芥中的CCR基因，使木質(zhì)部中木質(zhì)素含量明顯減少，且其次生壁結(jié)構(gòu)松弛，呈現(xiàn)非正常生長(zhǎng)。韓伯濤等[45]將CCR基因以正義反義和干涉的形式通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的方法轉(zhuǎn)入煙草中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在獲得的轉(zhuǎn)基因植株中所有下調(diào)基因的植株，木質(zhì)素含量有明顯的下降趨勢(shì)，纖維素含量則有所上升。植物細(xì)胞壁組分的含量變化表明CCR基因也許是一個(gè)控制木質(zhì)素代謝途徑的一個(gè)很好的調(diào)控點(diǎn)。

3.6肉桂醇脫氫酶(CAD)

CAD是木質(zhì)素合成的特異途徑的關(guān)鍵酶之一，通過(guò)氧化還原反應(yīng)催化3種相應(yīng)的肉桂醛(香豆醛、芥子醛、松柏醛等)變成肉桂醇，生成相應(yīng)木質(zhì)素單體的前體物質(zhì)。CAD的基因表達(dá)和CAD酶活部位具有明顯的組織特異性。張逢凱等[46]采用 RT-PCR 方法對(duì) CAD 基因在根、側(cè)枝、葉、芽四種組織中表達(dá)的特異性分析，結(jié)果顯示，CAD 基因在馬尾松側(cè)枝中表達(dá)量最高，在葉、根和芽中亦有低水平表達(dá)。有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)擬南芥的AtCAD4和AtCAD5進(jìn)行雙突變后，木質(zhì)素含量卻明顯下降[47]。目前已報(bào)道的CAD活性降低的轉(zhuǎn)基因植物包括苜蓿[48]和玉米[49]等。在這些轉(zhuǎn)基因植物中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CAD活性受抑制時(shí)植株生長(zhǎng)表現(xiàn)正常，木質(zhì)素含量也無(wú)明顯變化，S/G比值變化不明顯[50]。

3.7咖啡酸氧甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)及咖啡酰輔酶A氧甲基轉(zhuǎn)移酶(CCoAOMT)

COMT與CCoAOMT是木質(zhì)素生物合成途徑中兩個(gè)不同底物水平上的甲基化酶，它們分別以3,4-二羥基和3-甲氧基、4,5-二羥基芳香核團(tuán)上的取代基為作用位點(diǎn)[51,52]，在木質(zhì)素生物合成代謝途徑中形成兩條平行的路徑。

COMT被認(rèn)為對(duì)S型木質(zhì)素單體合成有重要的調(diào)控作用，當(dāng)轉(zhuǎn)基因植物中COMT活性被抑制到足夠低時(shí)，木質(zhì)素含量會(huì)減少[53]。CCoAOMT則被認(rèn)為是G型木質(zhì)素單體合成的重要調(diào)控基因[54]。在過(guò)去對(duì)木質(zhì)素生物合成中關(guān)鍵酶的研究中，對(duì)COMT研究的較多。目前已從苜蓿[54]、梨[55]、茶樹(shù)[56]等植物中成功克隆獲得了COMT基因。與COMT相比，CCoAOMT在木質(zhì)素生物合成途徑中的作用研究相對(duì)較晚。近年來(lái)，通過(guò)反義抑制CCoAOMT的活性來(lái)調(diào)控植物體木質(zhì)素含量的研究越來(lái)越多。目前已從柚[57]和青楊[58]等植物中成功克隆出了CCoAOMT并進(jìn)行了超表達(dá)載體構(gòu)建。呂萌等[59]研究發(fā)現(xiàn)，COMT和CCoAOMT在棉花的根，莖等維管組織中具有相對(duì)一致的高表達(dá)，而在其它組織和發(fā)育纖維中則呈現(xiàn)出明顯的組織特異性和纖維發(fā)育時(shí)期特異性。

3.8阿魏酸-5-羥基化酶(F5H)

F5H是木質(zhì)素生物合成的關(guān)鍵酶之一，催化羥基肉桂酸苯環(huán)C5的羥基化。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因植物和突變體的研究，發(fā)現(xiàn)F5H很有可能就是S-木質(zhì)素的合成控制點(diǎn)。王軼男[60]等克隆毛白楊阿魏酸-5-羥基化酶(F5H)基因全長(zhǎng)序列，并通過(guò)生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)5H主要位于質(zhì)體中，并含有19個(gè)磷酸化位點(diǎn)。植物的阿魏酸-5-羥基化酶是一個(gè)具有跨膜結(jié)構(gòu)域的親水性蛋白，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等分泌途徑中表達(dá)。李揚(yáng)等[61]在甘藍(lán)的莖組織中研究發(fā)現(xiàn)，抗倒伏材料F5H基因表達(dá)量的高于易倒伏材料，由此可以看出F5H具有組織特異性。F5H過(guò)量表達(dá)的轉(zhuǎn)基因煙草、擬南芥等植物中S-木質(zhì)素含量明顯增加，而G-木質(zhì)素生物合成明顯受到抑制[62,63]。有研究表明，F(xiàn)5H催化的反應(yīng)除了在肉桂酸水平進(jìn)行外,還能夠在醛和醇的水平上發(fā)生[64,65]，這說(shuō)明木質(zhì)素是通過(guò)不同的途徑而生成的，這既是生物多樣性的一種體現(xiàn)，也是生物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的一種反應(yīng)。

4　植物木質(zhì)素研究展望

木質(zhì)素的生物合成是一個(gè)極其繁瑣而復(fù)雜的過(guò)程，近些年來(lái)，人們經(jīng)過(guò)對(duì)木質(zhì)素不斷的探索和研究，雖然木質(zhì)素生物合成途徑已基本闡明但并不透徹。通過(guò)對(duì)木質(zhì)素生物合成途徑中關(guān)鍵酶的編碼基因進(jìn)行調(diào)控，從而改變植物體中木質(zhì)素的含量及其組成已成為近幾年研究的熱點(diǎn)。這不僅有助于闡明木質(zhì)素生物合成的分子機(jī)理，而且對(duì)于核桃等果樹(shù)植物在實(shí)際生產(chǎn)中改良其果實(shí)品質(zhì)方面具有重要的意義。大量的研究表明，正義或反義抑制木質(zhì)素生物合成途徑中的關(guān)鍵酶會(huì)造成植物生長(zhǎng)異常等不利于植物生長(zhǎng)的后果，并且這一傳統(tǒng)方法對(duì)于木質(zhì)素生物合成過(guò)程中關(guān)鍵酶的研究也并不全面。

木質(zhì)素生物合成的調(diào)控涉及多層次、多種轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用。目前，NAC及MYB類轉(zhuǎn)錄因子都參與了對(duì)木質(zhì)素生物合成的調(diào)控[66]。近幾年，有證據(jù)表明，某些WRKY和bHLH(Basic helix- loop-helix)類轉(zhuǎn)錄因子同樣也在木質(zhì)素生物合成的調(diào)控中起到了關(guān)鍵作用[67-68]。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，研究者有望在更多的物種中發(fā)現(xiàn)參與木質(zhì)素生物合成調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。有研究者經(jīng)PCR擴(kuò)增得到CCR基因的第4個(gè)外顯子部分序列利用RNA干擾技術(shù)，培育低木質(zhì)素楊樹(shù)，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株木質(zhì)素含量與對(duì)照相比平均降低了9.86%[69]。胡可等[70]通過(guò)干擾CCR和CAD基因表達(dá)，獲得了低木質(zhì)素含量的多年生黑麥草。隨著生物技術(shù)及分子生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，為進(jìn)一步探索研究木質(zhì)素生物合成途徑及其關(guān)鍵酶基因和尋找與木質(zhì)素生物合成相關(guān)的新基因創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)，采用RNA干擾技術(shù)及轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控等手段必將成為今后研究植物木質(zhì)素生物合成及其關(guān)鍵酶基因的重要方法，從而可為今后從木質(zhì)素方向著手改良核桃等核果類果樹(shù)的果實(shí)品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

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The Research Progress of Lignin Biosynthesis and Its Key Enzymes

Zhu Ling1,2Jia Changlu1Zhang Rui2,3*

(1 College of Plant Sciences, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300) (2Laboratory of Biological Resources protection in Tarim Basin, Xinjiang Production and Construction Corps, Alar, Xinjiang 843300) (3 College of Life Science, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Lignin is one of important macromolecular organic materials, which content is lower than that of in botanic field. It plays an important role in enhancing plant mechanical strength to resist the undesirable descent from the outside environment and transporting the conducting tissue water. Lignin contents and composition have important effect on fruit quality and stress resistance, for example, the lignin contents and composition of walnut endocarp has direct influence, such as walnut fruit quality, endocarp development, the integrity of the endocarp (bared nut) and so on. Therefore, this paper focuses on plant lignin biosynthesis and summarizes the research progress of key enzyme genes in order to set a theoretical basis for the fruit quality improvement in the lignin synthesis field.

lignin; biosynthesis; key enzymes

2015-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260469)；塔里木大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(TDGRI201509)。

朱玲(1989-)，女，在讀碩士2013級(jí)研究生，果樹(shù)遺傳育種方向。E-mail：bettyzl2015@163.com

?E-mail：843037930@qq.com

1009-0568(2016)03-0128-09

S664.1

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.03.022