肖青梅，郭媛

(中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部麻類生物學與加工重點實驗室，湖南 長沙 410205)

亞麻(LinumusitatissimumL.)為一年生草本植物，可分為纖維用、油用和油纖兼用3種類型，是在北溫帶地區(qū)分布很廣的重要經(jīng)濟作物，具有5000多年的種植歷史。早在3萬年前，人類已經(jīng)開始利用亞麻纖維。亞麻纖維的主要成分纖維素纖維是一類親水性纖維，吸濕散濕能力比棉高18%，具有強度高、吸濕性強、散熱快、耐摩擦、耐高溫、不易燃、不易裂、導電性小、吸塵率低、抑菌保健等優(yōu)點[1]。全球亞麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中亞麻紡織品特性優(yōu)良，深受消費者的喜愛。中國目前是世界上最大的亞麻紡織品制造基地[2]。然而，中國的高品質(zhì)亞麻纖維原料嚴重短缺，每年進口亞麻原麻達15萬～20萬錠，占原料需求量的60%～70%[1]。因此改良亞麻纖維品質(zhì)，培育高品質(zhì)的纖維亞麻品種，對中國的亞麻產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟具有重要意義。

亞麻屬于韌皮纖維作物。成熟的亞麻韌皮纖維主要由70%～75%的纖維素、15%的半纖維素、10%～15%的果膠以及1.5%～4.2%的木質(zhì)素組成[3-6]。亞麻纖維品質(zhì)取決于纖維素和半纖維素的形成。因此，研究纖維素和半纖維素在分子水平上的合成機理可以為改良亞麻纖維品質(zhì)提供理論支撐。

纖維素是植物細胞壁的重要組成成分，其是由β-1,4-糖苷鍵單鏈相連的吡哺式D-葡萄糖組成的具有一定立體結構的生物大分子多糖。半纖維素是由半乳糖、甘露糖等單糖構成的異質(zhì)多聚體，化學結構復雜，是植物細胞壁中的一種重要組成成分。纖維素和半纖維素的合成是由許多酶控制的復雜生理過程，其中纖維素合成酶和類纖維素合成酶分別參與纖維素和半纖維的合成[7-9]，是纖維素與半纖維素生物合成過程中的關鍵酶，并決定植物纖維素的品質(zhì)。因此，研究纖維素合成酶基因和類纖維素合成酶基因在纖維發(fā)育過程中的作用機制，有利于在分子水平上改良纖維品質(zhì)。

本文介紹了纖維素合成酶基因和類纖維素合成酶基因的發(fā)現(xiàn)與基因結構，匯總了纖維素合成酶基因和類纖維素合成酶基因在亞麻和模式作物擬南芥與水稻中的家族成員，并總結了其在亞麻和模式作物擬南芥與水稻中的研究進展，旨在為改良纖維品質(zhì)、培育高品質(zhì)纖維亞麻品種提供理論參考。

1 纖維素合成酶(CesA)基因與類纖維素合成酶(Csl)基因

纖維素的合成由多種基因共同作用。纖維素合成酶(CesA)基因和類纖維素合成酶(Csl)基因共同參與纖維素的合成，是決定纖維素品質(zhì)的關鍵基因。纖維素合成酶基因與類纖維素合成酶基因共同構成了纖維素合成酶超基因家族。

1.1 纖維素合成酶(CesA)基因

纖維素合成酶基因最先在革蘭氏陰性菌木醋桿菌(Acetobacterxylinum)中發(fā)現(xiàn)[10-12]。1982年Aioni等[13]利用細菌中克隆的纖維素合成酶基因在體外合成纖維素，緊接著纖維素合成酶相關基因相繼從醋酸桿菌中被分離。細菌中的纖維素合成酶(CesA)是一種糖基轉(zhuǎn)移酶(GT)，其氨基酸序列存在一些保守序列，區(qū)別于細菌中的其他糖基轉(zhuǎn)移酶。纖維素合成酶(CesA)典型的保守序列為DDDQxxRW，作為標志與其他糖基轉(zhuǎn)移酶的氨基酸序列區(qū)分。1996年，通過氨基酸序列的同源性比較，Pear等[14]利用細菌纖維素合成酶基因的保守序列，在棉花(Gossypiumhirsutum)中找到了纖維素合成酶基因。此后，一系列的植物纖維素合酶基因相繼被鑒定出來，包括擬南芥(Arabidopsisthaliana)[15]、水稻(OryzasativaL.)[15]、玉米(ZeamaysL.)[16]和毛果楊(Populustrichocarpa)[17]等植物。擬南芥基因組全序列測序完成，使得纖維素合成酶的研究得以進一步地深入，隨后水稻、玉米、楊樹等植物纖維素合成酶基因相繼成功被克隆。

植物纖維素合成酶基因長度約3.5～5.5 kb，含有9～13個內(nèi)含子，其外顯子與內(nèi)含子的排列保守，內(nèi)含子的數(shù)量決定基因結構的差異[18]。植物纖維素合成酶基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物約為3.0～3.5 kb，編碼的肽鏈長為985～1088個氨基酸[19]，其編碼產(chǎn)物序列相似性為53%～98%[18]。不同植物的纖維素合成酶基因具體作用不同，多個纖維素合成酶基因共同參與植物纖維素的合成。植物的纖維素合成酶有共同的結構特征：(1)兩端含有8個跨膜結構域，其中6個位于C末端，2個位于N末端，跨膜區(qū)是植物體β-1,4-葡萄糖苷鏈穿過質(zhì)膜進入細胞壁的重要通道[20]；(2)N末端含有鋅指結構域或LIM功能結構域，該結構域中的保守重復序列CXXC(半胱氨酸-X-X-半胱氨酸)與各亞基互作維持纖維素合酶復合體的穩(wěn)定性[20]；(3)含有2個高變區(qū)，分別位于纖維素合成酶的N端和A區(qū)與B區(qū)之間，植物纖維素合成酶基因家族的存在與這2個高變區(qū)相關[21]。A區(qū)與B區(qū)之間具有典型的DDDQxxRW保守序列，與底物結合和催化相關[10,22]。

1.2 纖維素合成酶(CesA)基因家族成員

不同植物種間的纖維素合成酶基因數(shù)目存在差異。目前，在單子葉模式植物水稻中共發(fā)現(xiàn)了11個纖維素合成酶基因，在雙子葉模式植物擬南芥中共發(fā)現(xiàn)了10個纖維素合成酶基因[15]。利用擬南芥的纖維素合成酶基因檢索，在亞麻中共找到15個纖維素合成酶基因[23](見表1)。

表1 水稻、擬南芥和亞麻中的CesA成員

1.3 類纖維素合成酶(Csl)基因

Richmond等[24]在擬南芥基因組中檢索到41個與AtCesA1基因和GhCesA基因高度相關的基因。這41個基因中共鑒定出10個AtCesA基因，其余31個基因的功能尚不明確。因其在結構上與纖維素合成酶基因相似，這31個基因被命名為類纖維素合成酶(Csl)基因。類纖維素合成酶基因的長度為2.1～6.8 kb，外顯子數(shù)量為2～14。外顯子的數(shù)量在不同組間有較大變化。Kimura等[25]通過免疫定位發(fā)現(xiàn)類纖維素合成酶基因位于高爾基體體腔，類纖維素合成酶作為一種重要的膜蛋白介導細胞內(nèi)半纖維素的生物合成。類纖維素合成酶基因與纖維素合成酶基因結構相近，兩者編碼的氨基酸序列同源性在7%～35%。除不含植物纖維素合成酶所特有的鋅指結構域，纖維素合成酶和類纖維素合成酶結構之間具有以下共同特征：(1)含有DDDQxxRW等保守特征，具有完整膜蛋白的結構特征；(2)在N端含有1～2個跨膜結構域；(3)在C端含有3～6個跨膜結構域。這些共同特征用于指示纖維素合成過程中的糖基轉(zhuǎn)移酶[26]。

1.4 類纖維素合成酶(Csl)基因家族成員

類纖維素合成酶(Csl)基因家族共含有9個不同家族，單子葉植物和雙子葉植物的類纖維素合成酶基因家族間存在差異。水稻中含有CslA，CslB，CslC，CslD，CslE和CslG共6個類纖維素合成酶家族。擬南芥和亞麻中也存在6個類纖維素合成酶家族，分別為CslA，CslB，CslC，CslD，CslE和CslG。CslF和CslH是單子葉特有的類纖維素合成酶基因家族，CslB和CslG是雙子葉植物特有的類纖維素合成酶基因家族(見表2)。

表2 水稻、擬南芥和亞麻中的Csl家族成員

2 纖維素合成酶基因與類纖維素合成酶基因的功能

多糖是植物細胞壁的重要組成成分，不同植物細胞壁的多糖成分相似，但單子葉植物細胞壁與雙子葉植物細胞壁中含有的半纖維素含量差異顯著。纖維素合成酶和類纖維素合成酶是控制細胞壁合成的關鍵酶，因此纖維素合成酶基因與類纖維素合成酶基因的作用機制有待進一步挖掘。目前，在單子葉模式植物水稻和雙子葉模式植物擬南芥中纖維素合成酶和類纖維素合成酶的作用機制研究比較成熟。亞麻具有獨特的韌皮發(fā)育機制，是研究細胞生長和分化以及細胞壁建成的韌皮纖維模式作物。同時，纖維亞麻作為一種重要經(jīng)濟作物，對亞麻纖維素合成酶和類纖維素合成酶功能的研究，同樣具有較大的生產(chǎn)價值和經(jīng)濟價值。

2.1 纖維素合成酶CesA基因的功能

纖維素合成酶參與植物細胞壁的合成，是調(diào)控纖維素合成的關鍵酶。Doblin等[21]通過免疫標記發(fā)現(xiàn)，有不少于3種纖維素合成酶(CesA)亞型(α1, α2, β)參與細胞壁纖維素的合成。前人研究[27-28]表明，單個纖維素合成酶(CesA)亞基負責合成一條葡聚糖鏈，不同的纖維素合成酶(CesA)亞基彼此相互作用以形成更高級的復合物，分別在細胞初生壁和次生壁合成時期起不同的作用[29-30]，共同參與纖維素的合成。這表明纖維素合成酶是通過聚合形成復合物，從而在植物組織內(nèi)行使功能。

在水稻的11個纖維素合成酶基因中(表1)，初生壁纖維素的合成主要由OsCesA1、OsCesA3和OsCesA8負責，OsCesA5和OsCesA6可能替代OsCesA3的功能。此外，OsCesA3、OsCesA5和OsCesA6的序列高度相似，但關于他們的功能仍需進一步證明。水稻的次生壁生物合成期，OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9在纖維素的生物合成過程中起主要作用，是調(diào)控水稻次生細胞壁合成的必需酶。Tanaka等[29]在篩選水稻脆稈突變體的過程中發(fā)現(xiàn)，OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9基因各自突變會導致纖維素含量降低，且莖稈強度顯著下降，其純合突變株系的纖維素含量降低8.9%～25.5%。這表明OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9這3個基因之間不存在相互冗余的現(xiàn)象。目前，關于OsCesA2、OsCesA10和OsCesA11基因的功能尚不明確，有待于進一步研究。纖維素是影響植物機械強度的重要因子，水稻CesA基因的深入研究對提高水稻抗性、選育高品質(zhì)水稻品種具有重大意義。

在雙子葉模式植物擬南芥中鑒定的共10個纖維素合成酶基因中(表1)，AtCesA1、AtCesA3、AtCesA6、AtCesA2、AtCesA5和AtCesA9基因與擬南芥初生壁合成相關[31-33]，其中AtCesA1、AtCesA3和AtCesA6對于擬南芥初生細胞壁合成是必需的。Arioli等[34]發(fā)現(xiàn)AtCesA1基因突變會影響其纖維素的合成，且突變體植株對溫度十分敏感，氣溫升高會導致其根系腫大并阻礙纖維絲結晶結構的形成。Desprez等[35]發(fā)現(xiàn)擬南芥AtCesA6基因的突變體與AtCesA1基因突變體存在同樣的表型。由此可見，AtCesA1和AtCesA6兩個基因之間存在聯(lián)系。研究[33]發(fā)現(xiàn)，AtCesA1和AtCesA3基因的純和突變會導致胚胎死亡，且其突變體植株的初生壁嚴重缺陷。這些研究表明，AtCesA1、AtCesA3和AtCesA63個亞基相互作用，聚合形成復合體，共同調(diào)控擬南芥初生壁合成。應用免疫共沉淀的方法，Taylor等[27,36]鑒定出AtCesA4、AtCesA7和AtCesA8共3個擬南芥次生壁合成相關的纖維素合成酶基因。AtCesA4、AtCesA7和AtCesA8基因突變阻礙次生壁纖維素合成，從而引起木質(zhì)部塌陷，這表明該3個基因在木質(zhì)部次生壁合成時期起重要作用。在進一步的研究中發(fā)現(xiàn)，這3個基因在纖維素合成過程中起協(xié)同作用，形成CSC復合體合成纖維素，從而控制木質(zhì)部纖維的形成[19,27]。關于AtCesA基因作用機制和調(diào)控機理的研究，對雙子葉植物CesA基因的研究具有重要指導和借鑒作用。

亞麻是韌皮纖維作物，其韌皮纖維細胞的發(fā)育主要經(jīng)歷2個階段：細胞伸長和次生細胞壁加厚，這兩個發(fā)育時期不重疊，分別決定了韌皮纖維的長度和強度。韌皮纖維發(fā)育受很多基因表達調(diào)控影響，其中纖維素合成酶是控制纖維合成的關鍵酶，因此纖維素合成酶基因?qū)τ谔岣邅喡槔w維品質(zhì)具有重要意義[37]。Natalia等[38-39]通過對比擬南芥和楊樹中的纖維素合成酶基因，在亞麻中鑒定出的16個纖維素合成酶基因被劃分為6個枝，分別命名為LusCesA1-A、LusCesA1-B、LusCesA3-A、LusCesA3-B、LusCesA3-C、LusCesA4、LusCesA6-A、LusCesA6-B、LusCesA6-C、LusCesA6-D、LusCesA6-E、LusCesA6-F、LusCesA7-A、LusCesA7-B、LusCesA8-A和LusCesA8-B。Chantreau等[40]發(fā)現(xiàn)LusCesA7B基因合成的蛋白缺乏鋅指結構域，應屬于類纖維素合成酶基因。Pydiura等[23]也指出亞麻基因組中只含有一個CesA7基因。這些研究表明，亞麻中只存在15個纖維素合成酶基因。這15個LusCesA被分為6大類：LusCesA1、LusCesA3、LusCesA4、LusCesA6、LusCesA7和LusCesA8[23]。這6類纖維素合成酶是控制亞麻初生壁和次生壁合成的關鍵酶，參與調(diào)控亞麻的生長發(fā)育，決定亞麻纖維的品質(zhì)。LusCesA1、LusCesA3和LusCesA6與亞麻的初生細胞壁合成相關[41]，且在花、葉和根中LusCesA1和LusCesA6的表達水平相同。這表明LusCesA1、LusCesA3和LusCesA6這3個基因互相作用形成復合體，從而控制亞麻初生壁的合成。Guo等[41]在開花后的亞麻韌皮部檢測到富集的LusCesA4和LusCesA8基因，與擬南芥中的AtCesA44和AtCesA8基因的表達模式相一致。AtCesA44和AtCesA8基因是參與擬南芥次生壁合成的關鍵基因，這表明LusCesA4和LusCesA8基因與次生細胞壁中的纖維素合成相關。江海霞等[42]通過 qRT-PCR方法研究LusCesAs基因在亞麻快速生長期的表達模式，發(fā)現(xiàn)LusCesA4、LusCesA7和LusCesA8在亞麻韌皮纖維細胞的表達模式與這一結論相一致。Galinovski等[43]研究也表明，LusCesA4、LusCesA7和LusCesA8在次生細胞壁中大量表達，控制次生壁的合成，其中LusCesA7在莖中的特異性表達會影響亞麻纖維素的品質(zhì)。此外，Hansol等[44]研究發(fā)現(xiàn)乙烯可以介導發(fā)育早期亞麻的LusCesAs基因的上調(diào)或下調(diào)表達，這為早期控制亞麻植株的生長發(fā)育提供了有力的理論依據(jù)。目前，關于亞麻CesA基因的具體功能和調(diào)控機制尚有待進一步的闡明。亞麻CesA基因的研究空白，對培育高品質(zhì)纖維亞麻品種造成不利影響。

2.2 類纖維素合成酶Csl基因的功能

類纖維素合成酶(Csl)蛋白存在于高爾基體腔內(nèi)，介導半纖維素的合成，是影響纖維素品質(zhì)的關鍵酶之一。依據(jù)序列結構特征的不同，Csl蛋白被分為 9 個亞族，分別為CslA—CslH及CslJ，其中CslF、CslH和CslJ只存在于單子葉植物中[45]。CslA催化(1,4)-b-D-甘露聚糖的合成，CslC參與催化木葡聚糖骨架的形成，CslD則在多糖(木聚糖和半乳醛聚糖)的合成中起作用。但目前，CslB、CslE和CslG的生物學功能尚不清楚。

Wang等[46]在水稻中共鑒定出了34個類纖維素合成酶基因。水稻的類纖維素合成酶基因被分為6個家族，分別為CslA、CslC、CslD、CslE、CslF和CslH。其中CslA有9個成員，CslC有6個成員，CslD有5個成員，CslE有3個成員，CslF有8個成員，CslH有3個成員。水稻的類纖維素合成酶基因家族成員之間通常在同一組織中表現(xiàn)出高表達水平，存在功能冗余現(xiàn)象。水稻類纖維素合成酶Csl(A1，C9，D2，E1，F(xiàn)6和H1)基因的表達貫穿水稻的整個生命周期[46]。部分水稻類纖維素合成酶表達具有組織特異性，OsCslD3和OsCslD5，OsCslH2和OsCslC9表現(xiàn)出較高的雄激素特異性表達，而OsCslA5、OsCslD1和OsCslD4分別在胚乳、胚根和胚芽中具有特異性。OsCslF6基因突變體植株矮小，分蘗數(shù)減少，且突變體植株的纖維素含量降低20%[47]。由此可見，OsCslF6基因與OsCesA基因之間存在功能冗余現(xiàn)象。

擬南芥中共鑒定出了30個類纖維素合成酶基因。Pydiura等[23]通過與棉花、楊樹、玉米和水稻中的類纖維素合成酶構建系統(tǒng)發(fā)育樹，將擬南芥中的類纖維素合成酶基因分為6個家族，分別為CslA、CslB、CslC、CslD、CslE和CslG，其中CslA有9個成員，CslB6個成員，CslC5個成員，CslD6個成員，CslE1個成員，CslG3個成員。前人研究[25]表明，類纖維素合成酶與細胞壁的合成相關。AtCslB5、AtCslD和AtCslD3在根中表達最強，其中AtCslD3的突變會導致根毛細胞壁形成缺陷。擬南芥AtCslA9突變體增強了對根癌農(nóng)桿菌的抗性，這證明AtCslA9調(diào)控細胞壁的合成，從而降低了農(nóng)桿菌對植株的侵染。擬南芥類纖維素合成酶基因AtCslD1和AtCslD4在成熟的花粉粒和花粉管中特異表達，他們的缺失突變體csld1和csld4都會出現(xiàn)雄性不育的特征[48]。AtCslA10和AtCslG2在花中表達水平升高，可能在開花過程中具有與煙草花粉中特異性表達的NaCslD1和NaGsl1類似的特異功能[49]。AtCsl基因與擬南芥的生長發(fā)育密切相關，深入研究AtCsl基因的作用機理，對雙子葉植物的抗性研究和品種改良具有重要指導意義。

袁紅梅等[50]通過與擬南芥中的類纖維素合成酶蛋白進行氨基酸序列對比，鑒定出30個亞麻的類纖維素合成酶基因，并將這30個亞麻類纖維素合成酶分為6個家族，分別為CslA、CslB、CslC、CslD、CslE和CslG，其中CslA有2個成員，CslB有1個成員，CslC有8個成員，CslD有15個成員，CslE有1個成員，CslG有4個成員。LusCslG3被檢測到在葉片中大量表達。LusCslB、LusCslC及LusCslD中的部分成員在不同發(fā)育時期表達豐度都極低，表達水平與纖維素、半纖維素在次生木質(zhì)部中所占組分相符合。目前，關于亞麻類纖維素合成酶(Csl)蛋白的生物學功能尚不清楚，有待于深入研究。

3 展望

亞麻作為一種重要的經(jīng)濟作物，在紡織、醫(yī)療、建筑和材料等行業(yè)具有廣泛的應用前景。我國亞麻高品質(zhì)纖維原料嚴重缺乏，改良亞麻纖維品質(zhì)，培育出優(yōu)良纖維亞麻品種一直是研究的重點。分子克隆和轉(zhuǎn)基因方法改良纖維品質(zhì)是培育高品質(zhì)纖維亞麻品種的重要手段。亞麻的分子生物學研究起步較晚，但是發(fā)展迅速。目前，分子標記、基因克隆與轉(zhuǎn)化、遺傳多樣性分析等技術已經(jīng)在亞麻上取得了進展，且在一定程度上促進了亞麻相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是相對于棉花等經(jīng)濟作物在轉(zhuǎn)基因方面的研究，亞麻的研究水平還較為落后。CRISPR/Cas基因編輯等技術的問世，使我們可以更便捷地在轉(zhuǎn)基因水平上改良亞麻纖維品質(zhì)，培育出高品質(zhì)纖維亞麻品種，進而改善我國高品質(zhì)纖維亞麻不足的現(xiàn)狀，對促進我國亞麻產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。