高等植物细胞壁中纤维素的合成资料.pdf

植物生理学通讯 第44 卷 第4 期，2008 年8 月791 高等植物细胞壁中纤维素的合成 宋东亮 *, 沈君辉, 李来庚 中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所, 上海200032 Cellulose Synthesis in the Cell Walls of Higher Plants SONG Dong-Liang*, SHEN Jun-Hui, LI Lai-Geng Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China 提要: 植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶质等构成近年来, 在细胞壁形成, 如纤维素合成方面的研究 取得了一系列非常令人鼓舞的进展 本文就高等植物细胞壁中纤维素合成机制的研究进展作一介绍 关键词: 初生细胞壁; 次生细胞壁; 纤维素; 半纤维素; 木质素 收稿2008-04-30修定2008-06-30 资助国家杰出青年科学基金(李来庚, 30725025)。

*E-mail: dlsong@ ; Tel: 021-54924161 植物细胞壁是围绕在植物原生质体外的一种 细胞结构它对植物体的支撑、水分和养料的供 给、植物形态建成和植物与环境的相互作用起着 重要作用, 与植物细胞分化、 植物体生长发育也有 密切关系 植物细胞壁的形成首先是在细胞分裂后, 由新 形成的细胞板区域产生初生细胞壁, 初生细胞壁之 间形成胞间层, 以后随着细胞的分化, 在初生细胞 壁的内侧和原生质体的外面形成次生细胞壁, 随着 细胞的进一步分化, 细胞壁逐渐形成与细胞功能相 适应的结构 1 细胞壁的主要组分、结构和功能 1.1 初生细胞壁 初生细胞壁的主要组分有多糖, 蛋 白, 如扩展蛋白(expansin)等, 一些酶类, 以及一些 离子, 如钙离子等 初生细胞壁中的多糖主要为纤维素(cellulose)、 半纤维素(hemicellulose)和果胶质(pectin) 纤维素占初生壁干重含量的15%~30%纤维 素一般以微纤丝(microfibril)形式存在, 每条微纤丝 的横截面平均有36条β-1,4-D-葡聚糖链, 每条葡聚 糖链由几千到上万个单糖分子组成。

葡聚糖链之 间相互以氢键结合形成结晶结构, 直径 5~10 nm 在微纤丝内, 糖链平行排布, 链的还原性末端都指 向同一个方向, 每条链的起点和终点各不相同, 上 千条的葡聚糖链相互连接构成一条微纤丝, 长度可 达几百微米 半纤维素是带有支链的杂多糖, 支链中的糖类 型与主链的糖类型不同初生细胞壁中主要的半 纤维素是木葡聚糖(xyloglucan), 它主要是由 β-1,4- D- 葡聚糖构成主链, 支链上有许多 α-D- 木糖与主 链葡萄糖的(1,6)O-6 位置相连接在细胞壁内, 半 纤维素与纤维素形成连接, 与微纤丝一起构成网状 结构 果胶质的总量占初生细胞壁多糖含量的 30% 左右, 它是复杂的混合多糖, 结构中含有 α-1,4-D- 半乳糖醛酸, 它的两个基本组分是同聚半乳糖醛酸 (homogalacturonan, HG)和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖 (rhamnogalacturonan, RG) 初生细胞壁的主要功能是结构和机械支撑、 维持和决定细胞形态、抵抗细胞膨胀压力、控制 细胞生长的速率和方向、植物的形态建成、调节 胞间层的物质扩散、储备碳水化合物、抵抗病原 体、抵抗脱水胁迫、激活源头信号分子、细胞 之间的相互作用等。

1.2 次生细胞壁 次生细胞壁是在初生细胞壁内侧 形成的, 在组成上与初生细胞壁不同 次生细胞壁 除含有纤维素和半纤维素外, 还含有木质素(lignin) 木质素是一种酚类聚合物在次生细胞壁中木质 素以高度交联的形式存在, 增强了植物向上生长所 需要的机械支持能力 次生细胞壁是在细胞停止扩展和伸长之后开 始形成的, 所以在次生壁合成之后, 细胞的大小不 再发生变化, 这也说明次生壁的形成是细胞进行特 异分化的结构 次生细胞壁的结构一般较厚, 可以 植物生理学通讯 第44 卷 第4 期，2008 年8 月792 分为 S1、S2 和 S3 三层, 不同层次的次生壁在组 成、结构和微纤丝角度等方面都有所不同由于 次生细胞壁厚, 储存了大量的植物所固定的太阳能 和碳, 所积累的生物质, 占植物生物质总量的绝大 部分, 是地球上生物质的主要形式, 是人类生活所 需要的纤维材料和生物能源原料由于细胞壁积 累了丰富的生物质, 对细胞壁的主要聚合物, 如纤 维素生物合成的研究和开发利用具有重要意义 2 纤维素合酶及其相关的基因 近 10 年来, 纤维素合成过程的研究多以拟南 芥突变体为材料, 采用遗传学方法已鉴定了部分与 纤维素合成过程相关的基因, 人们对这一过程的认 识正在逐步深入。

2.1 纤维素合酶 纤维素是由几种不同的纤维素合 酶组成的复合体合成的纤维素合酶是一类糖苷 转移酶(glycosyltransferase, GT), 一般认为它催化 UDP- 葡萄糖形成葡聚糖链 Kimura等(1999)用免疫细胞学的方法, 在冷冻 条件下剥裂细胞膜, 成功地将棉花纤维素合酶制备 的多抗标记到赤豆(Vigna angularis)细胞膜近胞浆 侧的分裂面上在电镜下可以观察到对称的玫瑰 花形(rosette)结构这个结构由 6 个独立的球状蛋 白复合体构成, 直径 25~30 nm, 人们一般认为这就 是纤维素合酶复合体(cellulose synthase complex, CSC) 植物中纤维素合酶的发现是基于基因序列的 比对分析Pear 等(1996)首次用同源克隆的方法 找到了 2个棉花中与细菌 CelA基因同源的纤维素 合酶基因 GhCesA-1 与 GhCesA-2通过基因组信 息的分析, Richmond (2000)总结了拟南芥基因组中 的10个CesA基因的蛋白序列的结构特点Suzuki 等(2006)将杨树基因组的 18 个 CesA 基因作了归 类。

一般认为所有CesA基因编码的蛋白质有着相 似的结构, 含有 8 个跨膜结构域, 2 个在 N 端, 6 个 在 C端N端有1个锌指结构域, 可能与蛋白之间 的相互作用有关锌指结构域和 N 端跨膜结构域 之间有一个蛋白序列的高变区 I (HVRI)在两个 跨膜结构域之间是酶的中央结构域, 其间有一个蛋 白序列高变区 II (HVRII), 高变区 II 两边各有一个 保守基序, DxD 和 QxxRW, 它们的功能主要是与 底物的结合与催化相关, 除了蛋白序列高变区II外, 中央结构域的不同 C e s A 蛋白之间非常保守 (Richmond 2000) 2.2 与初生壁合成有关的纤维素合酶 采用遗传学 和生物化学的方法鉴定的参与拟南芥初生壁合成的 纤维素合酶基因有: AtCesA1、AtCesA3、AtCesA6、 AtCesA2、AtCesA5、AtCesA9其中 AtCesA1 和 AtCesA3 认为是必不可少的基因 AtCesA1 (radial swelling, rsw1)基因突变株对温 度敏感, 温度升高时, 纤维素合成减少, 玫瑰花形结 构消失, 纤维丝不能形成结晶结构(Arioli等1998)。

AtCesA3 (isoxaben resistance, ixr1) (Scheible等 2001)和 AtCesA6 (ixr2/prc) (Desprez 等 2002)的突 变体可以抵抗纤维素合酶抑制剂异恶酰草胺(除草 剂的一种), 由于AtCesA3基因和AtCesA1基因的表 达具有一致性, 而且 AtCesA1基因和 AtCesA3基因 的纯合突变体初生壁缺陷会导致胚胎致死因此 认为它们参与纤维素的合成, AtCesA6 的突变体在 黑暗条件下生长时其下胚轴不能伸长(Desnos 等 1996), 它的突变体没有致死表型, 于是推测还有其 他基因在功能上与其冗余 AtCesA2、AtCesA5 和 AtCesA9 在序列上和 AtCesA6 基因有很大的同源性, 它们在功能上与 AtCesA6 基因是部分冗余的AtCesA2 和 AtCesA6 双突变以后, 黑暗条件下生长的幼苗的下胚轴往往 变得更短, 研究 PromoterAtCesA2/6::GUS 时发现, AtCesA2/6 两个基因的表达情况相似, 在整个胚轴 上和根中都有表达, 在根和胚轴伸长区的细胞中表 达最为强烈, 推测 AtCesA2和 AtCesA6可能与细胞 的伸长有关。

AtCesA9 仅在胚胎发育过程中表达, 且 AtCesA2、AtCesA6和 AtCesA9三基因突变的突 变体是胚胎致死的, 推测AtCesA9基因参与胚胎形 成过程PromoterAtCesA5::GUS的实验表明, AtCesA5 基因在胚轴顶端回钩(apical hook)处的非伸长细胞 中表达因而推测 AtCesA5 基因在非伸长的细胞 内起作用(Persson 等 2007; Desprez 等 2007) 2.3 与次生壁合成有关的纤维素合酶 Taylor 等 (1999、2000、2003)用免疫共沉淀的方法鉴定了 与拟南芥次生壁合成相关的 3 个纤维素合酶基因, AtCesA4 (irx5)、AtCesA7 (irx3)和 AtCesA8 (irx1), 当它们各自突变后, 拟南芥发育生成不规则的木质 部(irregular xylem), 且三者在相同的时间和细胞内 表达, AtCesA4 基因不表达时, AtCesA7 基因和 AtCesA8 基因也不表达从而推测参与拟南芥次 植物生理学通讯 第44 卷 第4 期，2008 年8 月793 生壁合成的复合体至少含有这 3 种纤维素合酶。

在筛选拟南芥易脆纤维(fragile fiber, fra)突变体时, 也发现AtCesA7 (fra5)基因和AtCesA8 (fra6)基因上 有突变位点突变体表型为束间纤维的机械承受 力减弱(Zhong 等 2003)AtCesA10 基因的研究尚 无报道 除了拟南芥之外, 有关水稻和杨树次生壁合成 的纤维素合酶的研究也有报道在筛选水稻脆秆 突变体的过程中, 有人已发现与水稻次生壁合成相 关的纤维素合酶基因: OsCesA4、OsCesA7 和 OsCesA9 (Tanaka 等 2003)这 3 个基因的突变都 分别导致纤维素含量下降, 表明这些基因之间不是 相互冗余的在杨树中也发现了18个纤维素合酶 基因, 定量 PCR 检测表明, 基因 PtCesA18 和 PtCesA13 相对于叶片、茎尖和韧皮部而言, 在发 育中的木质部中表达很强, 因此推测这两个基因参 与次生壁的合成, 另外, PtCesA7、PtCesA8、 PtCesA9 和 PtCesA10 在发育的木质部中也有较高 的表达至于究竟有哪些纤维素合酶参与杨树次 生壁的合成过程还有待进一步研究(Suzuki 等 2006)。

2.4 与纤维素合成相关的其他基因 fra1 基因突变 的表型为束间纤维的机械承受力减弱以及纤维素在 细胞膜上的沉积方向发生紊乱 分析发现, 该基因 编码一个微管动力蛋白(kinesin) (Zhong 等 2002) 推测它可能在纤维素沉积过程中起一定的作用 (Smith 和 Oppenheimer 2005) Korrigan (Kor)基因的突变导致植株纤维素积 累的减少和果胶质组分的改变基因表达情况分 析表明, Kor 基因在所有细胞中都表达蛋白质酶 活性分析发现KOR蛋白具有β-1,4-葡聚糖酶的活 性(Nicol 等 199。