植物次生细胞壁加厚调控研究进展
植物生理学报 Plant Physiology Journal doi: 10.13592/https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,ki.ppj.2015.0568
2016, 52 (1): 8–188收稿 2015-10-22 修定 2015-12-15
资助 国家自然科学基金(31130012)和国家重点基础研究项目
(2012CB114502)。
* 通讯作者( E -mail: lgli@https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,)。
植物次生细胞壁加厚调控研究进展
黄成, 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植物分子遗传国家重点实验室, 上海 200032
摘要: 植物细胞壁是植物细胞的特征性结构。植物体中, 所有细胞都会形成初生壁的结构, 而一些特定组织的细胞会在初生细胞壁内侧进一步加厚形成次生壁, 为这些细胞实现正常生理功能和高等植物发育提供必需的结构。本文分别从转录水平调控、激素调控、加厚模式调控及人工调控等方面介绍目前对于次生细胞壁加厚调控的研究进展。关键词: 次生细胞壁; 转录调控; 木质素; 纤维素
细胞壁是植物细胞区别于动物细胞的一种重要细胞结构。植物细胞完成分裂后, 由中间的细胞板区域开始形成初生细胞壁。一些特殊组织的细胞停止扩展后, 在质膜和初生细胞壁之间形成次生细胞壁。次生细胞壁从结构上可分为S1、S2、S3三层, 主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。植物次生细胞壁大量存在于维管组织管状细胞和纤维细胞, 提供植物直立生长所需要的机械支撑力, 疏水性木质素的存在加固管状分子以抵抗负压, 使得植物体能够连续高效的运输水分。同时, 在植物生长过程中, 植物积累的大部分光合作用产物储存在次生细胞壁, 构成植物体结构, 是纤维材料和生物质能源原料的重要来源。次生细胞壁是植物细胞特异分化后产生的细胞结构, 其加厚过程受到多种因素的调控。目前的研究发现植物体中存在复杂的多级转录网络作用于纤维素、半纤维素和木质素合成基因, 从而调控次生细胞壁加厚过程, 多种激素等信号因子也可能参与其中, 木质部纤维细胞和导管细胞次生壁加厚模式与皮层微管密切相关。同时, 由于木质纤维生物质是地球上重要的可再生资源, 人们试图通过各种方式调控次生壁加厚以获得可高效利用的木质纤维原料。本文就这几个方面的研究进展进行综述。
1 植物次生细胞壁加厚的转录水平调控
近十几年来关于次生壁转录调控有大量研究, 目前认为次生壁形成主要由一系列NAC 转录因子和MYB 转录因子形成分层次的网络逐级调控下游次生壁中纤维素、半纤维素和木质素的合成, 同时也有很多其他调控因子参与其中。最近一些文章对次生壁加厚转录调控进行了较详细的综述(Wang 和Dixon 2012; Zhong 和Ye 2015a; Nakano 等2015)。
1.1 转录开关因子
拟南芥中有两类NAC (NAM 、ATAF1/2、CUC2)结构域转录因子被发现作为转录开关因子分别调控维管组织导管细胞和纤维细胞次生壁合成。第一类VND (vascular-related NAC domain)基因家族VND1-7被认为参与导管细胞发育。在百日草悬浮细胞系中过表达VDN6和VND7能诱导各种薄壁细胞转分化为具有环纹和螺纹加厚的原生导管细胞以及具有网纹和孔纹加厚的后生导管细胞, 显性抑制这2个基因能抑制拟南芥根中原生导管和后生导管的形成(Kubo 等2005)。随后的研究发现单独抑制VND7的正常功能就能抑制拟南芥根和茎中所有类型导管的形成, 并且可能形成同源或与其他VND 基因形成异源二聚体行使功能(Ya-maguchi 等2008)。VND1-5在拟南芥花序茎中特异表达在木质部, 过表达能激活次生壁合成途径转录因子和酶基因表达, 引起薄壁细胞异常加厚, 显性抑制VND3使花序茎导管次生壁变薄而塌陷, 这些结果表明VND1-5同VND6、VND7一起特异性调控导管细胞次生壁加厚(Zhou 等2014)。第二类包括NST3/SND1 (NAC secondary wall thickening pro-moting factor 3/secondary wall-associated NAC do-main protein 1)、NST1和NST2, 参与开启维管束间纤维细胞和木质部纤维细胞次生壁加厚(Zhong 和Ye 2015a)。拟南芥NST3/SND1特异性表达在维管束间纤维及木质部纤维细胞, 异位过表达SND1能激活非厚壁细胞中的次生壁合成, 显性抑制SND1
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和nst1snd1双突变体都能够引起束间纤维和木质纤维次生壁厚度显著下降, 三者的同时突变能够使得纤维细胞次生壁加厚完全丢失(Zhong等2006; Mitsuda等2007; Zhong和Ye 2015b)。此外, 拟南芥花药开裂释放花粉过程需要药室内皮层发生次生壁加厚, nst1nst2双突变体中发现花药不能正常开裂而单突变体则正常, 证明NST1和NST2在花药次生壁加厚过程中冗余性地起作用(Mitsuda等2005)。
在SND1启动子的驱动下表达任何一个NAC 转录开关因子都可以互补snd1nst1纤维细胞次生壁异常的表型, 说明它们可能开启相似的次生壁合成途径(Zhong等2010a)。对SND1启动子结合序列分析发现, NAC转录开关因子结合一段19 bp的共有序列(T/A)NN(C/T)(T/C/G)TNNNNNNNA(A/ C)GN(A/C/T)(A/T), 被称为SNBE序列(secondary wall NAC binding element)。NAC转录开关因子可以激活很多参与次生壁加厚过程的下游转录因子, 包括SND2、SND3、MYB46、MYB85、MYB103和KNAT7等(Zhong等2008), 也可以激活次生壁合成相关酶基因, 如纤维素合酶CesA4、CesA7、CesA8等, 另外, VNDs还调控木质部形成过程中参与细胞程序性死亡的基因XCP1和XCP2 (Ohashi-Ito等2010; Zhong等2010a; Yamaguchi等2011)。
NAC类转录开关因子也受到调控, 包括激素和一些其他蛋白等, 激素的调控在后面专门介绍。ASL/LBD家族蛋白是植物特有的一类核蛋白, 其中ASL19/LBD30和ASL20/LBD18表达在未成熟导管细胞, 且依赖于VND6和VND7。ASL19/LBD30和ASL20/LBD18受VND7直接诱导, 过表达LBD18导致VND7的异位表达, 形成一个正反馈调控VND7的表达(Soyano等2008; Yamaguchi等2011)。含有NAC结构域的转录抑制子VNI2表达在延伸的导管前体细胞中, 与VND7表达重合, 体外实验证明VNI2与VND7以及其他VND成员相互作用, 并且抑制VND7的转录活性, 过表达VNI2造成拟南芥根导管细胞发育缺陷, 这些结果表明VNI2作为一个转录抑制子能够抑制VND7活性负调控木质部导管细胞形成(Yamaguchi等2010)。拟南芥茎髓部薄壁细胞中, AtWRKY12的缺失突变体上调NST2等次生壁相关转录因子, 导致异位次生壁沉积, 表明AtWRKY12在茎髓中作为NAC转录因子的负调控因子维持薄壁细胞特性(Wang等2010)。MYB26的突变影响花药开裂, 其突变体和nst1nst2双突表型类似, 并且NST1和NST2的表达都受到MYB26的调控, 这些结果说明花药内皮层加厚过程中MYB26在NAC家族转录因子的上游开启次生壁合成(Mit-suda等2005; Yang等2007)。
NAC类转录开关因子的同源基因存在于所有维管植物类群中, 从低等维管植物到被子植物都有分布(Zhong等2010c)。基因功能研究发现NAC 类转录因子在杨树、水稻、玉米、苜蓿等多个物种中具有类似于拟南芥中次生壁合成开关功能(Zhao等2010; Zhong等2010b, 2011)。木本植物杨树中SND1同源基因PtrWND1B同样能够启动纤维细胞次生壁合成, 但不同的是PtrWND1B在转录水平上的可变剪切能够产生两个互相抑制的转录本, 过表达较短转录本能促进纤维细胞次生壁加厚, 而长转录本则抑制这一过程。木本植物发达的次生生长过程中有大量细胞需要积累次生壁, 因此可能比草本植物有着更为复杂的调控机制(Li等2012b; Zhao等2014)。小立碗藓NAC蛋白突变体产生异常的水分疏导细胞和机械支持细胞, 过表达NAC基因诱导产生异位的水分疏导类似细胞, 表明次生壁转录调控在进化过程中具有高度保守性, 并且NAC蛋白在植物适应陆生环境中可能起到重要作用(Xu等2014)。
1.2次级转录因子
MYB家族转录因子有很多成员被鉴定出是次生壁合成重要的次级调控因子, 大部分处于NAC 转录开关的下游, 形成转录调控网络作用于次生壁各组分的合成(Zhong等2010c)。
MYB46和MYB83被两类NAC转录开关因子直接调控, 并且功能冗余性的开启次生细胞壁的合成。遗传学分析发现MYB46和MYB83双突变体产生比nst1nst3双突变更严重的次生壁合成缺陷, 过表达MYB46和MYB83能激活次生壁的各组分包括纤维素、木聚糖、木质素等合成基因的表达上调。这些研究结果表明MYB46和MYB83作为受到NAC转录因子调控的次级调控因子在纤维细胞和管状细胞次生壁沉积中有重要作用(Zhong等2007; Ko等2009; McCarth y等2009)。
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在木本植物松树、桉树、杨树中鉴定到MYB46和MYB83的同源基因PtMYB4、EgMYB2、PtrMYB3和PtrMYB20等也能激活次生壁合成相关基因(Zhong等2010c)。火炬松和桉树MYB46同源基因PtMYB4和EgMYB2能结合木质素合成酶启动子上的AC元件, 调控木质素合成(Patzlaff等2003; Goicoechea等2005)。有研究发现MYB46/MYB83结合一段序列为ACC(A/T)A(A/C)(T/C)的7 bp顺式作用元件SMRE (secondary wall MYB-responsive element), 也有研究鉴定出序列为(T/C)ACC(A/T) A(A/C)(T/C)的8 bp结合元件M46R (MYB46-re-sponsive cis-regulatory element), 二者只相差一个碱基并且都包含AC元件(Kim等2012; Zhong和Y e 2012)。
全基因组分析发现MYB46和MYB83调控的基因不光包括很多参与次生壁调控的下游转录因子, 还包括一系列次生壁合成基因, 其中一些也受到NAC类转录开关的直接调控(Zhong和Ye 2012; Kim等2013)。转录组分析发现超过40个转录因子在MYB46/MYB83的下游, 包括MYB20、MYB42、MYB43、MYB52、MYB54、MYB69、MYB85、MYB103、SND2、SND3等(Didi等2015)。这些转录因子都表达在具有次生壁的细胞中, 大部分促进所有次生壁成分的合成, 也有一些被发现对目标基因具有选择性。MYB58、MYB63、MYB85和MYB103被发现可以结合木质素单体合成途径中的酶类如4CL、F5H启动子上的AC元件, 调控木质素单体合成(Zhong等2008; Zhou等2009; ?hman 等2013)。NAC类转录开关因子激活次级开关MYB46/MYB83, 二者同时直接激活下游转录因子和一些次生壁合成基因, MYB46/MYB83直接激活MYB58等转录因子, 二者同时直接调控木质素单体合成基因的表达, 植物形成了这种多级调控、前馈式的转录调控结构确保对次生壁合成的精确调控, 并且这种调控网络在不同植物类群中具有高度保守性。
1.3其他转录因子
在已知的次生壁调控网络中, 大部分转录因子起到转录激活作用, 也发现若干次生壁合成的转录抑制子。拟南芥MYB4是一个转录抑制子, 调控所有木质素单体都需要的合成酶基因C4H的表达, 其同源基因MYB32和MYB7也负调控木质素合成途径(Jin等2000; Preston等2004)。这3个MYB转录因子被MYB46直接调控, 体外瞬时转化原生质体和稳定转化拟南芥的转录激活实验都证明它们能抑制SND1表达, 形成一个次生壁合成的负反馈调控网络(Wang等2011)。
拟南芥中具有同源异型结构域的转录因子KNAT7被SND1和MYB46直接调控, 最初被鉴定为IRX11, 因为其突变体产生不规则木质部(irregular xylem)的表型(Brown等2005; Zhong等2008; Ko等2009)。对KNAT7的研究发现它编码一个转录抑制因子, MYB75、OFP4和BLH均能和KNAT7相互作用并且OFP4、BLH和KNAT7的相互作用能促进KNAT7的转录抑制活性(Li等2011; Bhargava等2013; Liu等2014)。有意思的是KNAT7的突变体在导管细胞和纤维细胞中产生完全相反的表型。木质部导管细胞次生壁合成受阻, 导致细胞壁塌陷产生不规则木质部, 而维管束间纤维的次生壁厚度明显增加。因为有多个与之相互作用蛋白的存在, KNAT7可能和特定蛋白相互作用形成异源二聚体, 以一种细胞特异性的方式对不同类型细胞的次生壁合成产生不同的调控效果。杨树中KNAT7能互补拟南芥突变体的表型, 表明KNAT7在次生壁合成网络中的负调控作用在草本和木本植物之间是保守的(Li等2012a)。
植物特异的串联重复CCCH锌指基因C3H14是拟南芥中SND1和MYB46的直接下游转录因子, 可以激活次生壁各种成分合成基因的表达(Ko等2009)。最近有研究发现同动物CCCH锌指基因类似, 拟南芥C3H14具有直接结合mRNA的能力, 芯片分析发现一些细胞壁合成相关基因很可能是C3H14的结合目标, 表明拟南芥C3H14可能同时在转录水平和转录后水平参与次生壁合成调控, 关于其具体机制还需要更多研究(Kim等2014)。
2植物次生细胞壁加厚的激素调控
植物茎尖和根尖维管组织的形成起始于顶端分生组织的原形成层, 这一过程受生长素、细胞分裂素、甾醇BR等植物激素信号途径的共同调控。百日草悬浮细胞分化研究中发现这些激素对形成层细胞分裂活性的维持以及导管细胞的分化诱导起重要作用(Fukuda 2004)。原形成层和束间薄壁细胞分化出维管形成层, 继而向外分化出次
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生韧皮部向内分化出次生木质部, 形成成熟的维管束。维管束中的导管细胞、纤维细胞以及束间纤维细胞的质膜和初生壁之间都具有次生细胞壁沉积, 目前发现一些证据表明植物激素在这些细胞的次生壁加厚过程中起到直接或间接的作用。
2.1激素调控次生壁转录网络
对带有VND6、VND7启动子驱动GUS报告基因的拟南芥下胚轴施加外源生长素、细胞分裂素和BR, 5 d后观察GUS表达位置并且测定VND6、7转录水平表达量。三种外源生长物质单独或组合对VND6、7的表达起到非常复杂的效果。细胞分裂素抑制VND6、7的表达而生长素只抑制VND6, 然而二者同时却能促进VND6、7表达。BR促进VND6表达, BR和生长素一起没有明显作用, BR和细胞分裂素一起同时抑制VND6、7表达, 当三种外源生长物质共同作用能产生最明显的VND6、7表达量上调(Kubo等2005)。这些激素对VND6、7的调控机制目前还不清楚, 有研究发现外源生长素能加强ASL20/LBD18的表达, 可能通过ASL20/ LBD18参与调控VND7 (Soyano等2008)。
最近有研究报道水稻中赤霉素(GA)信号途径通过多级转录因子调控次生壁纤维素合酶基因表达。GA信号途径中核心步骤就是在GA存在时形成GA-GID1-DELLA蛋白复合体, 促使DELLA蛋白降解, 解除对靶基因的抑制, 开启下游通路。研究发现水稻中GA合成突变体和相应突变体纤维素含量下降, 次生壁纤维素合酶基因CESA4/7/8表达量下降, 而水稻DELLA蛋白编码基因SLR1突变体中则刚好相反。进一步多种体内外实验发现水稻中存在NACs-MYB61-CESAs调控途径, 而SLR1与NAC29/31的结合阻碍此通路发挥作用, GA存在时阻碍作用解除, 促进次生壁纤维素合成。拟南芥中验证了这一调控途径的存在, 说明这种次生壁纤维素合成调控途径在陆生植物中很可能是保守存在的(Huang等2015)。
拟南芥花发育过程中, 生长素信号途径突变体tir1和afb1的药室内壁过早产生次生壁成分沉积, 目前已知药室内壁次生壁沉积由MYB26开启, 外源施加生长素能够下调MYB26表达同时抑制药室内壁加厚, 表明生长素是花药发育过程中次生壁合成的负调控因子(Cecchetti等2013)。2.2激素调控次生壁合成基因
到目前为止, 很多激素被发现能够影响次生壁形态和构成, 暗示其可能参与纤维素、半纤维素及木质素合成基因的表达调控, 但是这种调控作用是直接完成还是通过转录调控网络或者其他激素途径完成的, 还没有太多证据证明(Didi等2015)。
BR能够促进细胞伸长, 并且和生长素协同作用调控木质部发生。BR信号与膜受体BRI1结合, 激活转录因子BES1, BES1再通过结合启动子上E-box调控目标基因表达。染色质免疫沉淀(CHIP)实验和遗传学证据表明BES1能结合除CesA7以外所有纤维素合酶基因启动子, BR-BES1信号途径可能通过调控CesA4、8参与次生壁合成调控(Xie等2011)。随后对BR合成基因DIM1的研究发现其RNAi干扰突变体中纤维素和木质素含量明显下降, 但是纤维素和木质素合成基因表达量同野生型相比没有差异, 相反木聚糖合成基因IRX8、9表达量明显上调(Hossain等2012)。
细胞分裂素对维管组织次生壁合成基因的作用还不清楚, 但是有一些证据表明细胞分裂素信号通路参与调控花药中次生壁成分的合成。AHP4是拟南芥中参与细胞分裂素多级信号传递的组氨酸磷酸转移蛋白(Hutchison等2006), 突变体ahp4花药内皮层次生壁加厚比野生型更强烈, 次生壁合成基因IRX1/CesA8、IRX6、IRX8以及细胞分裂素响应基因ARR22的表达量均上升, AHP4的过表达植株则刚好相反(Jung等2008)。这些证据表明AHP4相关的细胞分裂素信号途径可能通过抑制次生壁合成基因表达负调控花药中次生壁加厚。
过氧化物酶被认为可能参与木质素单体聚合, 生长素、细胞分裂素、BR、赤霉素能调控百日草中过氧化物酶ZePRX活性。生长素和细胞分裂素单独或者共同作用均能增强ZePRX活性, 而BR和赤霉素起活性抑制作用, 百日草中ZePRX的活性与下胚轴或根中维管细胞次生壁加厚正相关(Gutiér-rez等2009; López Nú?ez-Flores等2010)。对ZePRX 和拟南芥PRX52启动子序列分析发现存在多个激素结合元件, 同时也存在NAC和MYB转录因子结合元件, 说明以上四种激素可能直接或者通过转
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录网络间接调控过氧化物酶的活性, 影响次生壁加厚(Herrero等2014)。
3植物次生细胞壁加厚模式的调控
维管系统管状细胞和纤维细胞的次生壁加厚受到严格的时空调控, 并且次生壁成分按照一定的模式沉积。原生木质部导管处于可伸长状态, 具有螺纹和环纹的次生细胞壁加厚; 后生木质部导管在停止伸长之后, 沉积出网纹和孔纹模式的次生壁, 提供大部分的木质部水分运输能力; 纤维细胞除一些用于物质运输的凹陷之外在细胞膜和初生壁之间沉积均匀的次生壁。次生壁的沉积依赖于很多蛋白的活性, 其中最重要的就是定位于细胞膜上的纤维素合酶复合体(CSCs)。早期的研究者们发现皮层微管同纤维素微纤丝并行排列, 使用药物破坏皮层微管结构导致微纤丝的定向发生变化, 因此提出皮层微管介导CSCs移动并确定微纤丝合成方向的假设(Baskin 2001)。随后的研究验证了这一假设, 观察黄色荧光蛋白标记的CSCs发现其沿着皮层微管形成的轨道移动(Pare-dez等2006), 对拟南芥根木质部活细胞观察发现CSCs在皮层微管介导下通过依赖于肌动蛋白束的囊泡运输到达细胞膜上次生壁沉积位置(Wight-man和Turner 2008)。近年来随着对皮层微管相关蛋白的鉴定和功能研究, 皮层微管介导的细胞次生壁加厚模式的机制得到了一定程度的解析。
剑蛋白是一类广泛参与植物细胞微管装配的微管切割蛋白, 拟南芥fra2突变体中鉴定到的剑蛋白基因AtKTN1参与维持皮层微管正常组织形态, 从而影响纤维素微纤丝的沉积方向(B u r k等2007)。fra2突变体表现出矮小、初生壁和次生壁厚度减小、次生壁分层结构缺失等表型。电子显微观察发现纤维素微纤丝在初生壁和次生壁中均发生方向异常的沉积, 同时免疫定位发现皮层微管也丢失了正常的排列模式。这些研究给出了遗传和生化证据证明皮层微管直接介导具有分层结构的次生壁的正常合成(Burk等2001; Burk和Ye 2002)。拟南芥微管驱动蛋白基因FRA1和水稻同源基因BC12的突变能显著降低植物的机械强度, 过表达FRA1增加纤维细胞次生壁层数, 降低每层的厚度和纤维素含量, 有研究认为FRA1和BC12同样参与皮层微管介导的微纤丝排列而导致这一表型(Zhong等2002; Zhou等2007; Zhang等2010)。最近研究发现fra1突变体并未明显改变细胞壁的组分及亚细胞结构, 带有荧光标记的FRA1融合蛋白沿着皮层微管迁移并独立于纤维素合酶组分的移动, 高尔基体小泡数量减少同时移动速率减小, 说明FRA1蛋白并不参与纤维素合酶的运输及微纤丝合成, 而参与驱动皮层微管介导的细胞壁成分膜泡运输(Zhu等2015)。
微管相关蛋白MAP65介导微管成束过程, 利用免疫荧光方法观察百日草叶肉悬浮细胞中Ze-MAP65-1发现其定位于管状细胞皮层微管束。将ZeMAP65-1异源过表达于拟南芥悬浮细胞系, 发现能诱导产生类似于木质部管状分子的横向皮层微管束(Mao等2006)。MAP70-5属于一类植物特有的70 kDa微管相关蛋白家族, 在体外实验中被证明能够稳定微管(Korolev等2005, 2007)。对拟南芥细胞系木质化过程中微管相关蛋白表达变化的研究发现MAP70-5特异性表达在管状细胞分化时期, 并且同MAP70-1相互作用影响次生壁加厚模式。过表达MAP70-5或MAP70-1促进螺纹管状细胞的形成, 下调它们的表达导致管状细胞已加厚的次生壁解离。同时, MAP70-5定位于加厚次生壁边界的皮层微管束, 这些结果表明MAP70-5和MAP70-1通过调控微管束组织在次生壁边界确定中起重要作用(Pesquet等2010)。
皮层微管束在次生壁加厚部位分布多而在加厚之间的凹陷部位分布少, 这种模式的形成目前认为是由定位于无次生壁加厚的ROP11/MIDD1/ Kinesin-13A复合体介导的(Zhong 和Ye 2015a)。在拟南芥悬浮细胞体系中, MIDD1 (microtubule depletion domain 1)被VND6和VND7迅速诱导(Oda 和Fukuda 2012), 体外实验表明它能直接同微管结合。进一步研究发现, MIDD1蛋白有两个螺旋结构, 一个结合皮层微管, 另一个结合次生壁凹陷处的质膜上。RNA干扰降低MIDD1的表达使得皮层微管不能正常解聚, 产生没有凹陷的细胞壁, 而过表达MIDD1能降低皮层微管的密度(Oda等2010)。MIDD1被认为与活性形式的G蛋白ROP11相互识别, 介导其次生壁凹陷处的特异性定位, 然后充当脚手架蛋白招募Kinesin-13A。拟南芥Kinesin-13A 蛋白同MIDD1蛋白的C端结构域直接相互作用, 并
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且具有体内的微管解聚活性, 下调或者上调Kine-sin-13A的表达能分别减小或者增大管状细胞次生壁凹陷的范围(Mucha等2010; Oda和Fuk uda 2013)。以上研究表明ROP11/MIDD1/Kinesin-13A 复合体定位于皮层微管束边缘的质膜上, 解聚次生壁凹陷处的皮层微管, 阻止次生壁沉积, 最终形成不同的次生壁加厚模式。
木质素的定向沉积对细胞特异性次生壁加厚模式的形成也非常重要, 近几年来对其机制也有所研究。凯氏带是植物根的内皮层细胞径向壁和上下横向壁上以木质素为主要成分的局部加厚结构(Naseer等2012)。拟南芥凯氏带结构域蛋白CASP1被发现作为脚手架蛋白帮助参与木质素单体聚合的过氧化物酶PER64定位于内皮层。另外, 定位于凯氏带的NADPH氧化酶RBOHF提供活性氧给PER64催化木质素单体聚合反应, 形成精确的内皮层加厚结构即凯氏带(Lee等2013)。在拟南芥中, 漆酶LAC4和LAC17也参与了花序茎中的木质素单体聚合, 其中LAC17主要参与束间纤维的G木质素单体沉积(Berthet等2011)。在对VND7诱导原生导管分化的拟南芥细胞系研究中发现, 木质素单体转运蛋白均匀分布于分化中的细胞, 而LAC4和LAC17只定位于次生壁沉积部位, 这些结果表明木质素聚合酶的特异性定位可能是木质素沉积模式形成的重要原因(Schuetz等2014)。这种特异性定位是如何形成, 还有哪些因子参与调控次生壁加厚模式, 都有待于深入研究。
4植物次生壁加厚的人工调控
维管植物的次生细胞壁中储存了大量植物光合作用固定的太阳能, 称为木质纤维素生物质, 是生物能源工业最可能利用的原料来源。木质纤维素生物质转化为可直接利用的酒精等生物燃料需要经过收集生物质材料、解构长链多糖成为五碳或六碳糖单位、混合糖转化为生物燃料, 即预处理、糖化、发酵三个过程(Rubin 2008)。
次生细胞壁中纤维素是可被糖化发酵的主要成分, 有研究表明纤维素的结晶度与水解速率呈负相关(Hall等2010), 对拟南芥的研究也发现CESA3突变体纤维素结晶度降低34%, 同时水解效率比野生型提高51% (Harris 等2009), 增加纤维素总含量降低纤维素结晶度是提高总糖化效率的可行途径(Marriott等2015)。半纤维素多糖同纤维素微纤丝及木质素交联形成网络加固次生壁, 阻碍了纤维素酶对纤维素的水解作用, 因此半纤维素含量与糖化效率呈负相关。拟南芥参与半纤维素合成的糖基转移酶突变体及杨树糖基转移酶RNA 干扰植株次生壁半纤维素含量均下降并且糖化效率升高(Lee等2009; Petersen等2012)。半纤维素侧链对次生壁糖化效率也有一定的影响, 一般认为侧链的存在加强了与纤维素微纤丝的交联程度, 抑制纤维素糖化作用, 因为半纤维素侧链取代在组成和结构上的复杂性, 其对生物质利用的作用还需要更多的解析(Marriott等2015)。木质素的存在不利于木质纤维素的预处理和糖化。对自然生长的毛果杨木进行酶解分析发现, 木质素含量与糖释放有很强的负相关性。由于G-木质素单体相对于S-木质素单体聚合更紧密更难从次生壁中去除, 因此提高S/G木质素单体比率也能得到更有利于生产的植物原料, 当S/G木质素单体比率高于2时, 糖释放效率高, 并且减轻木质素含量对糖释放的影响(Studer等2011)。
对次生壁改造的研究主要集中在如何降低木质素含量或者改善木质素组成和结构以得到可高效转化的能源植物。随着对木质素合成途径的认识逐渐完善, 出现了很多通过转基因的方法改造关键酶的研究报道。在山杨中转化反义抑制载体下调内源4-香豆酸辅酶A连接酶4CL1, 发现转基因植物的木质素含量产生约45%的下降, 同时纤维素的含量有15%的上升, 被认为是植物对木质素下调的补偿机制(Hu等1999)。在能源植物柳枝稷中下调咖啡酸5-O-甲基转移酶COMT能小幅度下调木质素总含量, 明显提高生物质的转化效率, 提高燃料乙醇的产量(Fu等2011)。在山杨中同时下调4CL 和上调阿魏酸-5-羟基化酶F5H将木质素降低40%, S/G比率上升3倍, 同时也有约14%的纤维素含量上升, 说明对木质素单体合成的多基因调控可能得到更好的效果(Li等2003)。
在不同物种中的很多研究都表明下调一些合成关键酶的确能够降低木质素含量, 但是也发现木质素含量的剧烈下降影响植物正常生长。在杂交杨中下调Ptr4C1L, 大田实验发现转基因植株的木质素含量下降伴随生物量减少, 木材横切发现
植物生理学报
14红褐色多酚类物质积累增多, 并且糖化效率没有明显提高, 木质素含量和生物量的负相关被认为可能与植物输导组织受到破坏有关(Novaes 等2010; V oelker 等2010)。
最近有研究者在拟南芥中设计了一种下调木质素含量同时不影响植物生长的基因工程方法。肉桂酸-4-羟化酶C4H 是所有木质素单体合成必需酶, 拟南芥c4h 突变体严重矮小, 利用导管特异性启动子VND6p 驱动C4H 在导管中回补木质素合成途径, 发现能使c4h 突变体正常生长, 在此基础上再转入糖基转移酶基因IRX8的启动子驱动的NST1来增加纤维细胞次生壁沉积, 由此得到生长正常、木质素含量下降生物质含量升高且糖化效率增加的转基因拟南芥株系(Yang 等2013)。这种方法需要木质素合成突变体以及导管特异性的启动子, 在目前的能源植物中还很难得到应用, 对毛果杨维管系统中细胞特异性启动子的筛选工作已有一些报道, 未来有望使用这些启动子调控木质素含量得到可高效利用且生长正常的能源植物。
结合次生细胞壁调控网络和次生细胞壁各成
分的合成途径, 可以考虑改变一个或多个转录因子和合成基因的表达形成一个网络来改造次生壁的特性, 这需要对次生壁合成调控的更细致的认识, 还需要以候选能源植物为材料做更多研究。5 总结与展望
植物次生细胞壁加厚是一个复杂的过程, 根据已知的研究结果, 包含了次生壁合成起始、次生壁合成转录调控、次生壁成分的合成运输以及特殊次生壁沉积模式的形成等。在转录水平上, 图1总结了次生壁形成的调控网络, NAC 转录因子SND1、VND6、7作为转录开关因子开启下游多级转录网络调控纤维细胞和导管细胞的次生壁合成。生长素、细胞分裂素、BR 等植物激素对次生壁合成转录调控网络及次生壁合成基因的功能也有多方面的影响。
植物细胞在停止生长后会发生次生壁加厚, 那么是细胞停止生长这一事件开启次生壁加厚还是次生壁加厚抑制细胞生长目前并不清楚, 次生壁加厚的转录调控网络已经得到比较详细的解析, 但是对于调控转录开关因子的上游信号以及转录后调控机制我们还知之甚少。植物维管组织细胞具有不同的次生壁加厚模式, 导管细胞在皮层微管介导下沉积出环纹、螺纹、孔纹等次生壁, 纤维细胞沉积均匀的次生壁, 薄壁细胞不沉积次生壁, 这种细胞特异性加厚模式的调控机制还有待揭示。加厚的次生细胞壁是木质纤维素生物质的主要组成, 通过基因工程手段可以定向调控次生壁加厚相关的重要基因, 得到更适于利用的木质纤维素材料, 因此, 对次生细胞壁加厚调控机制的解析具有十分重要的理论和应用意义。
参考文献
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Bhargava A, Ahad A, Wang S, Mans ? eld S, Haughn G, Douglas C,
Ellis B (2013). The interacting MYB75 and KNAT7 transcrip-tion factors modulate secondary cell wall deposition both in stems and seed coat in Arabidopsis
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图1 次生细胞壁形成的转录调控网络
Fig.1 Transcriptional network governing secondary cell wall
formation
植物细胞产酶的研究进展
植物细胞培养产酶的研究进展 王鑫 （吉林师范大学生命科学学院四平136000） 指导教师: 杨丽萍 摘要：随着植物细胞培养技术的迅速发展，利用植物细胞培养技术生产天然产物的 技术也取得了新的进展。其中，酶是植物细胞培养产生次生代谢产物中的主要产物 之一。本文重点介绍了植物细胞培养产酶的方法和提高酶产量的有效措施，包括植 物培养细胞的技术方法、生产过程中的条件控制、提高酶产量的措施、产生酶的种 类、以及该技术未来的应用和前景。 关键词：植物；细胞培养；酶 Research progress of enzyme production obtained by plant cell culture Wang Xin （College of life science,Jilin Normal University,S iping 136000, China） Instructor: Y ang Liping Abstract:The natural production obtained by using of plant cell culture is progressing steadily along with the rapid development of plant cell culture technology. We can get many secondary metabolites by plant cell culture，including enzymes production. This article focuses on plant cell culture methods to get enzyme production and the effective measures to improve the enzyme production, including the plant cultured cells technology and methods, the conditions of control in the production process, the measures to improve enzyme production, as well as applications and prospects of the technology in the future. Keywords：plant; cell culture; Enzyme 植物细胞培养技术起源于本世纪初，从80年代起就迅速发展起来，并且拥有非常广阔的前景。目前，植物细胞培养主要有两种类型，包括单倍体细胞培养，原生质体培养[1]。植物细胞培养具有很多优越性，它不受环境，以及气候条件的限制，节约了生产空间，增值速度也要比整体植株栽培快很多[2]。植物细胞培养技术主要应用在三个领域，其中就包括有用物质的生产，因为在植物细胞生长过程中会产生丰富的代
赖草属植物的抗逆性研究进展与应用前景
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—９６３２，２００９．０４．０５４ 赖草属植物的抗逆性研究进展与应用前景 叶煜辉，江明锋，陈艳，杨满业 （西南民族大学生命科学与技术学院四川省草原研究院，成都６１００４１） 摘要：赖草属是多年生禾本科植物，在中国的分布地域较为广泛。该属内植物对逆境具有较强的抗性，尤其是对于干旱、盐碱、高寒和病虫害等有较强的抵抗能力。综述了近年来赖草属植物抗逆性方面的研究进展，从赖草的耐旱性、耐盐性、耐寒性以及抗病虫害等方面对赖草属植物的抗逆性机理进行了探讨，并对其未来应用做出了展望。 关键字：赖草属；抗逆性；耐受机制；生理变化 中图分类号：Ｑ９４５．７文献标识码：Ａ文章编号：１００８—９６３２（２００９）０４—００５４—０４ 赖草属（ｋ”ｚ瑚Ｈｏｃｈｓｔ）在中国又称滨麦属，是禾本科早熟禾亚科（Ｐｏｏｉｄｅａｅ）小麦族（ＴｒｉｔＤｕｍｏｒｔ，也称大麦族Ｈｏｒｄｅａｅ）大麦亚族（Ｈｏｒｄｅｉｎａｅ）中的多年生植物类群，全世界约有３０余种，分布于北半球温寒地带，多数产于亚洲中部，少数分布于欧洲和北美。中国区域有赖草属植物约２０种，２变种，划分为３个组，即多穗组、少穗组和单穗组，主要分布于新疆、甘肃、宁夏、内蒙、东北三省、四川、陕西、河北、山西。１。。它们的生境极其多样，在海拔５００～４７００米的范围均有分布。从湿润的盐碱滩地和海滨滩地到干旱高温的沙土草原、荒漠化草原皆有生长，具有广泛的适应性和较高的抗逆性。 禾本科抗逆品种选育是一项世界性的重大课题，也是急迫解决的难题。赖草作为禾本科小麦等农作物的近缘属种具有无性繁殖能力强、品质优良、营养丰富等特点，而且还具有抗旱、抗寒、抗病虫害、适应性强等优良特性。在研究其耐受性状和耐受性的生理生化机制的基础上，克隆赖草抗逆基因并进行功能鉴定，通过转基因把克隆到的抗逆基因直接导入其他植物，可以解决传统杂交方式存在的花期不遇、杂交不亲和、周期长等问题。通过对赖草属植物抗旱机制的研究，还可以加快抗逆新品种的开发，对提高干旱和半干旱地区的植被盖度、提高农作物产量、改良退化及沙化草地、改善西部生态环境、促进干旱地区草地畜牧业的发展具有重要意义。 １抗逆性研究进展 １．１耐旱性分析 ５４１．１．１植物抗旱性研究的主要指标植物适应干旱环境的方式是多种多样的，有的以不同方式减少蒸腾失水，有的以特化组织大量贮存水分，有的以降低叶水势增强其吸水能力，有的以大量累积脯氨酸等有机质进行渗透调节，有的细胞液浓度大，有的原生质粘滞度高等。由于耐旱机制的复杂性和植物对干旱适应的多样性，要寻找一个通用的耐旱性指标是不现实的。现在中国对植物抗旱指标的选择和研究方法主要采用以下几种：（１）叶片旱生结构；（２）水分生理；（３）苗木生长；（４）叶绿素含量；（５）脯氨酸。易津等人对赖草属牧草幼苗耐旱性进行了研究。２。，采用不连续干旱胁迫处理３个月后，对幼苗存活率（％）、苗高（ｃｍ）、苗鲜重（ｇ）、根冠比、茎叶干鲜数量比、叶绿素含量和过氧化物酶活性测定，结果发现赖草属内羊草（Ｌｅｙｍｕｓｃｈｉｎｅｎ—ｓｉｓ）、赖草（Ｌｅｙｍｕｓｄａｓｙｔａｃｈｙｓ，内蒙古）和毛穗赖草（Ｌｅｙｍｕｓｐａｂｏａｎｕｓ）与属内其它植物相比为耐旱性较强的物种。 １．１．２赖草属的抗旱生理赖草属植物在干旱胁迫下发生许多生理变化，如：光合作用减弱，细胞膜透性平衡被破坏，丙二醛（Ｍａｌｏｎｄｉａｌｃｈｅｈｙｃｈｅ，ＭＤＡ）含量增加，超氧化物歧化酶（Ｓｕｐｅｒｏｘｉｄｅｄｉｓｍｕｔａｓｅ，ＳＯＤ）活性增加等。 １．１．２．１干旱胁迫下光合作用减弱干旱胁迫对光合作用的影响比较复杂，不仅会使光合速率降低，而且还会抑制光合作用反应中原初光能转换、电子传递、光合磷酸化和光合作用暗反应进程，最终导致光合作用下降。干旱胁迫时，叶表面气孔关闭，阻止ＣＯ，扩散， 收发日期：２００８—０９—０１；修回日期：２００８—１０—２０ 作者简介：叶煜辉（１９８２一），男，汉族，硕士，主要从事分子生物学与基因工程方向研究，Ｅ－ｍａｉｌ：２５５２３９３ｙｙｈ＠１６３．ｃｏｍ；通讯作者：江明锋（１９７１一），男，羌族，博士，副教授，主研分子生物学与基因工程，Ｅ－ｍａｉｌ：Ｍｉｎｇｆｅｎｇｊｉａｎｇｖｉｐ＠ｓｉｎａ．ＣＯＩｌｌ。项目基金：四川省科技厅应用基础研究项目（项目编号：２００６Ｊ１３—１３４） 万方数据
中国植物区系特有现象研究进展
中国植物区系特有现象研究进展 关于《中国植物区系特有现象研究进展》，是我们特意为大家整理的，希望对大家有所帮助。 摘要：植物区系特有现象是一个地区的植物区系最重要的特征之一，文章回顾了植物区系特有概念的产生与发展，简述了特有现象的类型，分别从历史角度、遗传角度、生态角度介绍了一些有重要影响的对特有现象产生原因的解释假说。介绍对比了植物特有现象的一些研究方法，认为在研究一个地区的植物区系的特有现象时，我们可以选择一些特有现象明显的较大的类群，综合运用形态―地理学方法、细胞学方法、分子生物学方法、等位酶技术等手段来研究，以期取得更为精确的结果。在综述了我国对植物特有现象的研究之后，认为我们应当对我国特有植物进行编目、确立特有中心、加强重要地区的特有现象的研究，为更好的保护珍稀特有植物提供科学依据。 下载论文网/2/view-13088545.htm 关键词：植物；植物区系；特有植物；方法；研究进展 中图分类号：S-3 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-11-0177-4
植物区系的特有现象，在很大程度上演示着生物多样性各方面的特殊性。特有现象是物种遗传分化的结果，种系分化促使物种适应不同的生境，而生境的多样性亦使种系分化。这种连续的、不连续的分化导致物种演化过程中发生间断，进而发生遗传分化使种系繁衍多变。特有现象分化有内因和外因，体现生物多样性的发展是有规律的，既有普遍性，又具特殊性。例如包括地貌因子、地壤因子、气候因子、边缘效应、岛屿隔离以及自然杂交等(张宏达，1997)。特有现象的发生有明显区域性，反映生物历史地理演化的途径(蒋有绪等，2002)。特有现象无疑是一个地区的植物区系最重要的特征之一，对特有现象的研究为了解一个特定地区的植物区系的发展历史和现状，无疑是十分重要的。 1 特有现象的概念 特有现象是相对世界广泛分布现象而言的，一切不属于世界性分布的属或种，都可以称之为其分布区内的特有属或种。“特有”这概念最早是由瑞典植物学家de. Candolle 于1855 年在其著作《Geographie Botanique raisonnee》(植物地理纲要) 中提出，指局限分布于某一自然地区或生境内的分类学单位；Engler 将其分为新特有和古特有，现在仍然沿用。至1937 年，波兰植物地理学家Szymkiewicz才严格使用了“特有”这个词。Braun- Blanquet(1923) 曾强调指出：一个地区的特有现象的研究和精确解释，构成了一个极高的标准，为了获得有关地区植物居群起源及年龄的任何结论，这种标准是不可缺少的；这个标准使我们更
大豆脂肪氧合酶对食品品质的的影响
大豆脂肪氧合酶对食品品质的的影响 卜凡琼 (班级：食研5班学号：2016309120048) 摘要:大豆脂肪氧合酶是存在于大豆中的脂肪氧合酶，其活性很高，在食品行业中有很广泛的应用，大豆脂肪氧合酶催化底物产生的一些物质能很好的改善食品质量。能增加食品香气，形成二硫键，增强面筋蛋白强度。其分离纯化方法有水浸提法，酸铵沉淀、葡聚糖凝胶柱G200分离沉淀法，缓冲液提取等方法。 关键词：大豆脂肪氧合酶，分离纯化，食品品质 1. 大豆脂肪氧合酶简介 脂肪氧合酶(Lipoxygenase, EC1.13.11.12, LOX),广泛存在于动植物体内，在豆类中具有较高的活力，其中尤以大豆中的活力为最高⑴ 属氧化还原酶，通称脂氧酶(LOX) o LOX中含有非血红素铁，专一催化具有顺，顺-1, 4-戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸，通过对其分子加氧，形成过氧化氢衍生物，是非常重要的风味前体物［2］。近年来研究表明，LOX产生的风味和香味是很多食品所必需的不饱和脂肪酸，经LOX作用形成氢过氧化物并进一步裂解成不饱和的醛类、酮类和醇类化合物而形成类似苹果、香瓜、芒果等水果风味以及鲜鱼味、牡砺味、文蛤味和海藻香、青草香［3］等挥发性风味物质。据脂肪氧合酶氧化花生四烯酸位置特异性，将脂肪氧合酶(LOX)分为5-L OX ,8-LOX ,12-LOX 和15-LOX。大豆LOX -I 属于15-LOX ,它已被广泛用于研究同类脂肪氧合酶功能和结构性质模型⑷大豆植物组
织中含有多种脂肪氧合酶同工酶，其中LOX-I和L0X-2是主要的同工酶。 2. 大豆脂肪氧合酶结构及其生化特性 研究表明，大豆脂肪氧合酶（LOX ）含839个氨基酸，是一个单 链肤蛋白，整体结构分为2个部分:一个是N末端的B与1条a螺旋组成的部分；另一个是包含22条a螺旋和8条B折叠股的主要区域。在空间结构上，LOX的主要区域以一条长的a螺旋为中心，其他结构环绕在其周围。非血红素铁原子靠近酶中心位置，其附近有一个特殊的三圈n螺旋，并以配位键与3个组氨酸侧链和梭基末端的C00- 结合，从而形成酶活力中心的主要组成部分⑸。 通过对分离得到的大豆子叶LOX的研究，发现每个LOX是一条M:为96000左右的多肤，每个多肤中含一个铁原子。有实验证明，大豆子叶的LOX处于静止、无活性状态时，铁以Fe态存在;当加入底物后，LOX中的Fe处于Fe （A）态，使LOX具有催化活性。大豆种子中的LOX都是球形、水溶性蛋白。LOX i, LOX2, LOX3的等电点分别为5.65, 5.85,6.150 3种同工酶的生化特性是丄0X1的反应最适pH值在9.0处，LOX:在pH6. 5处，LOX:在pH7. 0处。除催化原初反应外，LOX还催化次级反应而形成脂肪酸的二聚苯和淡基二烯酸，类胡萝卜素的漂白即是由LOX次级反应实现的⑹。 3. 大豆脂肪氧合酶的分离纯化及其性质 王辉，周培根⑺以大豆为原料，经硫酸铵沉淀、葡聚糖凝胶柱 G200分离沉淀，得到2种脂肪氧合酶（LOX）: LOX-1 , LOX-2。对
植物糖生物学研究进展_尹恒
植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (5): 521–529, https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html, doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.05.001 —————————————————— 收稿日期: 2010-01-18; 接受日期: 2010-03-23 基金项目: 863计划(No.2006AA10A213, No.2007AA091601)和中国科学院知识创新工程重要方向项目(No. KSCX2-YW-G-041) * 通讯作者。E-mail: zxm@https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,; dyguang@https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html, 植物糖生物学研究进展 尹恒, 王文霞, 赵小明*, 杜昱光* 中国科学院大连化学物理研究所辽宁省碳水化合物重点实验室, 大连 116023 摘要 自1988年糖生物学概念提出以来, 国内外科学家在动物、微生物领域取得了大量的研究成果, 但植物糖生物学的研究进展较慢, 目前少见系统的专著或综述。该文围绕植物正常生长时糖信号、逆境时糖信号、糖蛋白及其糖链、重要糖基转移酶及植物凝集素等植物糖生物学的主要问题, 全面阐述植物糖生物学的各个研究分支, 并介绍各领域的最新研究进展。提出了植物糖生物学的概念, 并将其定义为研究植物与糖类互作机制及植物体内糖(糖链与糖分子)结构及生物学功能的科学。 关键词 糖蛋白, 糖基转移酶, 凝集素, 植物糖生物学, 糖信号 尹恒, 王文霞, 赵小明, 杜昱光 (2010). 植物糖生物学研究进展. 植物学报 45, 521–529. 糖类是生物体的重要组成成分, 在自然界中分布广泛, 含量丰富。但直到20世纪上半叶, 糖类仍被视为是缺乏生物特异性的一类惰性化合物, 只是作为代谢能量来源或充当结构保护材料(如植物细胞壁和昆虫的外壳), 在生物体内功能较少。由于糖类物质结构复杂、糖链分析技术缺乏, 科学家们对其研究关注不多, 使得糖类的研究远远落后于另2种生物大分子 ——核酸和蛋白质。 20世纪70年代以来, 随着糖链解析技术水平的提高以及分子生物学的发展, 尤其是人、拟南芥(Arabidopsis thaliana )等模式生物基因组测序的完成, 围绕糖类物质的研究工作日渐增多。越来越多的证据表明, 糖类物质全面参与了生物的生殖发育、生长、应激等过程, 是很多生理和病理过程中分子识别的决定因素。最初, 这些围绕糖的研究工作被认为是糖化学的一个分支, 但很快其中大量的生物学工作远远超出了糖化学的范畴, 因此科学家们提出了糖生物化学的概念, 而随着研究内容的进一步深入, 糖生物化学也不能完全涵盖糖在生物领域的最新研究进展。1988年, 生化领域的著名杂志《生物化学年评》发表了英国牛津大学Rademacher 等人题为“糖生物学(Glycobiology)”的一篇综述文章(Rademacher et al., 1988), 标志着糖生物学这一学科的正式诞生。此后, 围绕着糖链结构及糖的生物学功能, 科学家们在糖链与疾病的关系、天然产物中糖的分离提纯以及功能糖的制备与应用等方面进行了大量的工作, 取得了一定进展。2001年, Science 杂志汇编了Hurtley 等人的7篇综述和6篇简介, 以《灰姑娘的马车来了》为题编辑了一期“糖和糖生物学”专辑, 对糖生物学最新的研究成果及前景进行了综述和展望, 从而将糖生物学的研究推向了一个新的高度(Hurtley et al., 2001)。2006年, Nature 杂志也推出了糖化学与糖生物学的专辑, 全面介绍了糖生物学领域的研究进展。我国糖生物学的开展与国际接轨较快, 1995年金城等人将糖生物学概念引入中国(金城和张树政, 1995), 此后, 我国科学家在糖生物合成和糖链功能解析等领域取得了一定进展。 广义糖生物学的含义是: 研究自然界中广泛分布的糖(糖链或聚糖)的结构、生物合成和生物学意义。但有关糖类结构和生物合成的研究也是已有学科糖化学和糖生物化学的主要研究内容之一, 所以糖生物学研究和讨论的对象更多地聚焦在一些重要的功能糖、生物体内糖缀合物的生物学功能上。实际上, 糖生物学的研究焦点是糖类和其它分子的关系, 有一种观点认为, 蛋白质和糖类的相互作用是糖生物学的基础(王克夷, 2009)。目前糖生物学的工作多围绕动物、 ·特邀综述·
糖生物学_植物糖基转移酶研究进展
期末考核 课程：Glycobiology 植物糖基转移酶研究进展 ：*** 学号：*** 班级：*** 时间：****
植物糖基转移酶研究进展 摘要:糖基转移酶一类是能够催化糖基从激活的供体转移到特定的受体分子上的一类酶，在生物体中普遍存在并形成了超基因家族。糖基转移酶广泛参与植物生命活动的各种生物学过程。本文综述了近年来的研究报道，综述了糖基转移酶的分类、分离鉴定方法及在生物学功能方面的研究进展，期望为相关研究工作提供参考。 关键词:植物糖基转移酶，分类，分离鉴定，生物学功能 糖基转移酶（Glycosyltransferases，GT，EC 2.4.x.y）是一类催化糖基转移的酶，通过产生糖苷键将供体糖分子或相关基团转移至特异的受体上。糖基转移酶几乎存在于所有的生物体中，其所催化的糖基化反应是最重要的生物学反应之一，直接参与二糖、单糖苷、聚糖苷等的生物合成。糖基供体分子包括双糖、多糖、1-磷酸糖、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸，植物中最常见的供体为UDP-Glc。受体可以是糖类、脂类、蛋白质、抗生素和核酸。糖基转移酶催化供体-受体形成α、β两种糖苷键，产物为多糖、糖蛋白、糖脂以及糖苷化合物等。全基因组测序发现真核生物中约1%的基因编码糖基转酶。 1糖基转移酶的分类 目前，对糖基转移酶的分类主要根据Campbell等提出的GT Family 分类系统（数据收录在CAZy数据库中）。糖基转移酶作为高度分歧的多源基因家族，根据蛋白氨基酸序列的一致性、催化特性以及保守序列对其进行分类。因此，一特定的糖基转移酶既可以通过生物化学的方法鉴定其底物，也可以通过生物信息学方法研究其与已知酶基因或酶蛋白氨基酸序列的同源性对其进行分类。目前，依据这种分类方法，糖基转移酶被分为94个家族。根据其的折叠方式可将绝大多数酶分为两个超家族，GT-A超家族和GT-B超家族（图1）。根据催化反应机制、产物的立体化学异构性，在这两个超家族中糖基转移酶又分为反向型和保留型两大类（图2）。 GT-A型折叠的空间结构有两个紧密相连的β/α/β类Rossmann折叠区域。GT-A家族成员需要一个D-X-D基序用来结合二价金金属离子（多为Mn2+），这有助于UDP-糖供体的PPi在酶活性位点上的固定，对于催化反应是不可或缺的。GT-A难以识别UDP-糖供体以外的供体，所以受体的多样性较低。GT-B型折叠的空间含有两个正对的β/α/β类Rossmann折叠区域，连接方式灵活。GT-B成员无需二价金属离子维持活性，这是GT-B与GT-A家族成员的一个显著区别。此外，通过结构分析和PSI-BLAST发现了由跨膜GT组成GT-C超家族，其折叠方式全为反向型，活性位点位于长环部，一般含有8-13个跨膜螺旋。
植物代谢组学的研究方法及其应用
植物代谢组学的研究方法及其应用 ★★★ BlueGuy(金币+3)不错，谢谢！ 近年来，随着生命科学研究的发展，尤其是在完成拟南芥(Arabidopsis thaliana) 和水稻(Oryza sativa) 等植物的基因组测序后，植物生物学发生了翻天覆地的变化。人们已经把目光从基因的测序转移到了基因的功能研究。在研究DNA 的基因组学、mRNA 的转录组学及蛋白质的蛋白组学后，接踵而来的是研究代谢物的代谢组学(Hall et al.，2002)。代谢组学的概念来源于代谢组，代谢组是指某一生物或细胞在一特定生理时期内所有的低分子量代谢产物，代谢组学则是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科(Goodacre，2004)。它是以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标的系统生物学的一个分支。 代谢物是细胞调控过程的终产物，它们的种类和数量变化被视为生物系统对基因或环境变化的最终响应(Fiehn，2002)。植物内源代谢物对植物的生长发育有重要作用(Pichersky and Gang，2000)。植物中代谢物超过20万种，有维持植物生命活动和生长发育所必需的初生代谢物；还有利用初生代谢物生成的与植物抗病和抗逆关系密切的次生代谢物，所以对植物代谢物进行分析是十分必要的。 但是，由于植物代谢物在时间和空间都具有高度的动态性(stitt and Fernie，2003)。尤其是次生代谢物种类繁多、结构迥异，且产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性，难于进行分离分析，所以人们一直在寻找更为强大的检测分析工具。在代谢物分析领域，人们已经提出了目标分析、代谢产物指纹分析、代谢产物轮廓分析和代谢表型分析、代谢组学分析等概念。20世纪90年代初，Sauter 等(1991)首先将代谢组分析引入植物系统诊断，此后关于植物代谢组学的研究逐年增多。随着拟南芥等植物的基因组测序完成以及代谢物分析手段的改进和提高，今后几年进入此研究领域的科学家和研究机构将越来越多。 1研究方法 代谢组学分析流程包括样品制备、代谢物成分分析鉴定和数据分析与解释。由于植物中代谢物的种类繁多，而目前可用的成分检测和数据分析方法又多种多样，所以根据研究对象不同，采用的样品制备、分离鉴定手段及数据分析方法各不相同。 1.1样品制备 植物代谢物样品制备分为组织取样、匀浆、抽提、保存和样品预处理等步骤(Weckwerth and Fiehn，2002)。代谢产物通常用水或有机溶剂(如甲醇和己烷等)分别提取，获得水提取物和有机溶剂提取物，从而把非极性的亲脂相和极性相分开。分析之前，通常先用固相微萃取、固相萃取和亲和色谱等方法进行预处理(邱德有和黄璐琦，2004)。然而植物代谢物千差万别，其中很多物质稍受干扰结构就会发生改变，且对其分析鉴定所采用的设备也不同。目前还没有适合所有代谢物的抽提方法，通常只能根据所要分析的代谢物特性及使用的鉴定手段选择合适的提取方法。而抽提时间、温度、溶剂成分和质量及实验者的技巧等诸多因素也将影响样品制备的水平。
植物次生细胞壁加厚调控研究进展
植物生理学报 Plant Physiology Journal doi: 10.13592/https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,ki.ppj.2015.0568 2016, 52 (1): 8–188收稿 2015-10-22 修定 2015-12-15 资助 国家自然科学基金(31130012)和国家重点基础研究项目 (2012CB114502)。 * 通讯作者( E -mail: lgli@https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,)。 植物次生细胞壁加厚调控研究进展 黄成, 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植物分子遗传国家重点实验室, 上海 200032 摘要: 植物细胞壁是植物细胞的特征性结构。植物体中, 所有细胞都会形成初生壁的结构, 而一些特定组织的细胞会在初生细胞壁内侧进一步加厚形成次生壁, 为这些细胞实现正常生理功能和高等植物发育提供必需的结构。本文分别从转录水平调控、激素调控、加厚模式调控及人工调控等方面介绍目前对于次生细胞壁加厚调控的研究进展。关键词: 次生细胞壁; 转录调控; 木质素; 纤维素 细胞壁是植物细胞区别于动物细胞的一种重要细胞结构。植物细胞完成分裂后, 由中间的细胞板区域开始形成初生细胞壁。一些特殊组织的细胞停止扩展后, 在质膜和初生细胞壁之间形成次生细胞壁。次生细胞壁从结构上可分为S1、S2、S3三层, 主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。植物次生细胞壁大量存在于维管组织管状细胞和纤维细胞, 提供植物直立生长所需要的机械支撑力, 疏水性木质素的存在加固管状分子以抵抗负压, 使得植物体能够连续高效的运输水分。同时, 在植物生长过程中, 植物积累的大部分光合作用产物储存在次生细胞壁, 构成植物体结构, 是纤维材料和生物质能源原料的重要来源。次生细胞壁是植物细胞特异分化后产生的细胞结构, 其加厚过程受到多种因素的调控。目前的研究发现植物体中存在复杂的多级转录网络作用于纤维素、半纤维素和木质素合成基因, 从而调控次生细胞壁加厚过程, 多种激素等信号因子也可能参与其中, 木质部纤维细胞和导管细胞次生壁加厚模式与皮层微管密切相关。同时, 由于木质纤维生物质是地球上重要的可再生资源, 人们试图通过各种方式调控次生壁加厚以获得可高效利用的木质纤维原料。本文就这几个方面的研究进展进行综述。 1 植物次生细胞壁加厚的转录水平调控 近十几年来关于次生壁转录调控有大量研究, 目前认为次生壁形成主要由一系列NAC 转录因子和MYB 转录因子形成分层次的网络逐级调控下游次生壁中纤维素、半纤维素和木质素的合成, 同时也有很多其他调控因子参与其中。最近一些文章对次生壁加厚转录调控进行了较详细的综述(Wang 和Dixon 2012; Zhong 和Ye 2015a; Nakano 等2015)。 1.1 转录开关因子 拟南芥中有两类NAC (NAM 、ATAF1/2、CUC2)结构域转录因子被发现作为转录开关因子分别调控维管组织导管细胞和纤维细胞次生壁合成。第一类VND (vascular-related NAC domain)基因家族VND1-7被认为参与导管细胞发育。在百日草悬浮细胞系中过表达VDN6和VND7能诱导各种薄壁细胞转分化为具有环纹和螺纹加厚的原生导管细胞以及具有网纹和孔纹加厚的后生导管细胞, 显性抑制这2个基因能抑制拟南芥根中原生导管和后生导管的形成(Kubo 等2005)。随后的研究发现单独抑制VND7的正常功能就能抑制拟南芥根和茎中所有类型导管的形成, 并且可能形成同源或与其他VND 基因形成异源二聚体行使功能(Ya-maguchi 等2008)。VND1-5在拟南芥花序茎中特异表达在木质部, 过表达能激活次生壁合成途径转录因子和酶基因表达, 引起薄壁细胞异常加厚, 显性抑制VND3使花序茎导管次生壁变薄而塌陷, 这些结果表明VND1-5同VND6、VND7一起特异性调控导管细胞次生壁加厚(Zhou 等2014)。第二类包括NST3/SND1 (NAC secondary wall thickening pro-moting factor 3/secondary wall-associated NAC do-main protein 1)、NST1和NST2, 参与开启维管束间纤维细胞和木质部纤维细胞次生壁加厚(Zhong 和Ye 2015a)。拟南芥NST3/SND1特异性表达在维管束间纤维及木质部纤维细胞, 异位过表达SND1能激活非厚壁细胞中的次生壁合成, 显性抑制SND1
植物脂肪氧化酶的研究进展
生物工程学报Chin J Biotech2009, January 25; 25(1): 1-9 https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html, Chinese Journal of Biotechnology ISSN 1000-3061 cjb@https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,? 2009 Institute of Microbiology, CAS & CSM, All rights reserved 植物脂肪氧化酶的研究进展 胡廷章1,2, 胡宗利1, 屈霄霄1, 任彦荣1, 陈国平1 1 重庆大学生物工程学院, 重庆 400044 2 重庆三峡学院生物系, 重庆 404000 摘要:植物脂肪氧化酶(LOX)是一个多基因家族, 是由单一的多肽链组成的含有非血红素铁、不含硫的过氧化物酶。 LOX催化具有顺, 顺-1, 4-戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸的双加氧反应。植物中, 不同脂肪氧化酶的最适pH、pI、底 物和产物特异性、时空表达特性、亚细胞定位等存在差异。LOX参与的生理过程涉及损伤、病原攻击、种子萌芽、果 实熟化、植物衰老、脱落酸和茉莉酸合成, LOX也在正常的植物生长和生殖生长过程中作为营养储藏蛋白, 参与脂类迁 移、响应营养胁迫、调节“源”与“库”的分配。对LOX家族的深入理解，将有助于LOX在作物新品种的选育、新 型植保素的开发、食品加工等方面得到广泛的应用。 关键词:脂肪氧化酶, 结构, 催化反应, 功能, 基因表达, 亚细胞定位 Advances in plant lipoxygenases research Tingzhang Hu1, 2, Zongli Hu1, Xiaoxiao Qü1, Yanrong Ren1, and Guoping Chen1 1 Bioengineering College of Chongqing University, Chongqing 400044, China 2 Department of Biology, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000, China Abstract:Lipoxygenases (linoleate: oxygen oxidoreductase, EC 1.13.11.12; LOXs) are encoded by a multi-gene family in plants. The LOXs are monomeric non-heme, non-sulfur iron dioxygenases, which catalyze the incorporation of molecular oxygen into polyunsaturated fatty acids containing a cis, cis-1, 4-pentadiene moiety. The LOX isoforms are distinguished by differences in optimum pH of the reaction, pI, substrate and product specificity, spatial and temporal expression, and subcellular localization. The function of various LOXs in plants has been suggested. Some of the physiological processes in which lipoxygenases have been implicated include wounding, pathogen attack, seed germination, fruit ripening, plant senescence, and synthesis of Abscisic acid (ABA) and Jasmonic acid (JA). During normal vegetative and reproductive growth, lipoxygenases have also been suggested to act as vegetative storage proteins, participate in transference of lipoid, and response to nutrient stress and source/sink relationships. Significant progress in understanding LOX families will be beneficial to the application of the LOX in crop breeding, research on new-type phytoalexin and food industry. Keywords: lipoxygenases, structure, catalysis, function, gene expression, subcellular localization Received: June 10, 2008; Accepted: October 8, 2008 Supported by: the National Natural Science Foundation of China (No. 30771464), the Chunhui Project of Education Ministry (No. Z2007-1-63006), the Natural Science Foundation Project of Chongqing Science and Technology Committee (No. 2007BB1196) and the Natural Science Foundation Project of Chongqing Three Gorges University (No. 2007-Sxxyyb-04). Corresponding author: Guoping Chen. Tel: +86-23-65112674; E-mail: chenguoping@https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html, 国家自然科学基金(No. 30771464), 教育部“春晖计划”资助项目(No. Z2007-1-63006), 重庆市自然科学基金(No. 2007BB1196), 重庆三峡学院 资助项目(No. 2007-Sxxyyb-04)资助。
代谢组学在植物研究领域中的应用
Botanical Research 植物学研究, 2016, 5(1), 26-33 Published Online January 2016 in Hans. https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,/journal/br https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,/10.12677/br.2016.51005 Application of Metabolomics in Plant Research Guixiao La1, Xi Hao1, Xiangyang Li1, Mingyi Ou2, Tiegang Yang1* 1Industrial Crops Research Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou Henan 2China Tobacco Guizhou Industrial Co. Ltd., Guiyang Guizhou Received: Dec. 10th, 2015; accepted: Dec. 25th, 2015; published: Dec. 30th, 2015 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/4e7157251.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Metabolomics is an emerging omics technology after genomics and proteomics, which can qualify and quantify all small molecular weight metabolites in an organism or cells in a short time. With the technology development of gas chromatography-mass spectrometer (GC-MS), liquid chroma-tography-mass spectrometer (LC-MS) and capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS), and the improvement of data process method and presented huge advantages, plant metabolomics has been used in multiple research fields such as functional genomics, metabolism pathway, crop improvement... In this paper, we reviewed the recent progress in plant metabolomics and the put-ative problem in this research field. Moreover, the application prospects of the plant metabolom-ics were also forecasted. Keywords Metabolomics, Plant, Advance, Prospect 代谢组学在植物研究领域中的应用 腊贵晓1，郝西1，理向阳1，欧明毅2，杨铁钢1? 1河南省农业科学院经济作物研究所，河南郑州 2贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳 *通讯作者。
植物区系特征成分及地带性分化问题的探讨
文章编号:0529 6579(2000)05 0073 05 植物区系特征成分及地带性分化问题的探讨 崔大方1,廖文波2,王伯荪2 (1.华南农业大学生物技术学院,广东广州510642; 2.中山大学生命科学学院) 摘 要:简述关于植物区系成分以及中国植物区系的研究进展,讨论细胞学、分子生物学等 新技术在开展特征植物区系成分地带性分化以及分子生物地理学研究方面的意义.关键词:植物区系;特征成分;地带性分化;分子生物地理学 中图分类号:Q948 5 文献标识码:A 植物区系的形成是种系长期分化、繁衍、发展的结果,并与区域性自然地理条件、古地质、古气候环境等方面的变化、变迁密切相关.20世纪以来,随着中国植物志、大部分地方植物志编写的全面完成,我国植物学家对植物区系的组成、性质、起源、区系关系及分区等特征开展了全面的研究,使区系学的理论和方法得到不断的丰富和完善,特别是关于中国植物区系成分的研究取得了长足的进步,形成了系统的理论和观点.同时,区系学研究还存在一些有待解决或有待深入研究的问题,例如在区系发展、演化过程中,区系表征成分、特征成分的发展和演化特征就是一个关键问题,它们将反过来对区系的性质、区系的发展、演化产生重要的影响.本文通过论述中国植物区系的研究进展、分析特征区系成分的性质,试图说明植物区系成分在形态-地理学、细胞-地理学、分子-(生物)地理学等水平,均存在地带性分化特点,因而将成为植物区系学研究的新途径. 1 关于中国植物区系的研究进展 我国具有现代意义的植物学研究是从本世纪初开始的,早在1918年钟观光就在广西西部、北部采集,1920年陈焕镛在广东、海南采集等.同一时期还有胡先在云南、辛树帜在广西、秦仁昌、蒋英在广西、贵州采集等.早期的研究主要是野外采集和开展分类学研究,经过近70年以来我国植物学家的不懈努力,至90年代止发表了大量分类学、系统学的研究论文,全面完成了 中国植物志 80多卷120多部(分册)及多部地方植物志的编写和出版,极大地促进了对我国丰富植物资源的认识. 从20年代开始在分类学、系统学研究的基础上,我国学者如胡先、刘慎愕、李惠林、侯学煜、钟补求等陆续开展了有关的植物地理学(phytogeography)研究.该学科是19世纪初由Humboldt 和Candolle 等人奠基的一门学科,它以植被的外貌及生活型等作为标志,在20世纪初Engler,Drude,Diels 等人进一步发展了植物地理学的概念,包括分布植物地理学、生态植物地理学、历史植物地理学、植物地理分区等.现代意义的植物地理学除 基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(39800012);国家自然科学基金重点资助项目(39830310)收稿日期:1999 10 26; 作者简介:崔大方(1964~),男,博士,副教授. 中山大学学报(自然科学版) 第39卷 第5期 2000年 9月ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVE RSITATIS SUNYATSE NI Vol 39 No 5Sep 2000
植物细胞融合的研究进展_综述_郭学民
河北科技师范学院学报 第19卷第1期,2005年3月 Jo ur nal o f Hebei N or mal U niver sity of Science&T echnolog y Co llege V o l.19 No1.1M arch2005 植物细胞融合的研究进展(综述) 郭学民1,2,徐兴友1,2,王同坤1,王华芳2,尹伟伦2 (1河北科技师范学院生命科学系,河北秦皇岛,066600;2北京林业大学生物科学与技术学院)摘要:概述了原生质体分离和培养的影响因素,介绍了近年来国内外原生质体培养与融合及杂种细胞、筛选和鉴定的动态。 关键词:细胞融合;原生质体;筛选与鉴定 中图分类号:Q321+.2 文献标识码:A 文章编号:1672-7983(2005)01-0065-05 细胞融合(cy to mixis),亦称细胞杂交(cell fusio n),是指亲本的两个细胞在特定的物理和化学因子处理下合并为一个杂种细胞的过程[1]。植物细胞融合可分为体细胞杂交(somatic hybridizatio n)和配子-体细胞杂交(gameto-somatic hy br idizatio n),前者是指不经过有性过程,而直接由体细胞原生质体融合产生杂种细胞,形成愈伤组织,并再生出植株的过程[2],后者是指性细胞(如小孢子四分体、精子、精细胞、幼嫩花粉、成熟花粉、卵细胞、助细胞和中央细胞等)原生质体和二倍体原生质体融合产生三倍体杂种细胞,形成愈伤组织,并再生出植株的过程[3]。植物细胞融合是植物细胞工程的一个重要分支,是一种突破物种生殖隔离、创造远缘杂种的新途径,原生质体技术还可用于细胞突变体的筛选、细胞器移植和外源DNA的导入。 自1960年Cocking[4]用酶法分离出番茄根原生质体后,Natag a和T akebe[5]1970年首次利用烟草叶分离原生质体,经培养获得再生植株;1975年以色列的Vardi等[6]首次从木本植物Sham onti甜橙珠心组织诱导胚性愈伤组织,并从愈伤组织分离原生质体,经培养通过胚状体再生出植株;在禾本科植物中,除在珍珠谷、紫狼尾草用悬浮细胞为材料,较早获得原生质体再生植株外,直到1985年Fujim ur a[7]等率先在水稻原生质体培养中获得了再生植株,才出现了重大突破。现已从许多种内、种间、属间甚至亚科间的体细胞杂交获得杂种细胞系或杂种植株。随着多种植物原生质体的成功培养和融合技术的不断改进,植物细胞融合获得了巨大成功。植物细胞融合包括原生质体的制备、细胞融合的诱导、杂种细胞的筛选和培养,以及植株的再生和鉴定等环节。 1 原生质体的分离和培养 1.1 起始材料 起始材料及其生理状态对原生质体的制备及其活力有很大的影响。在以往的双子叶植物培养中,大多以叶片为分离原生质体的材料,近年来,起始材料的适用范围有了较大扩展。目前,以愈伤组织、悬浮细胞和体细胞胚为材料制备原生质体是最主要的方式;禾本科植物原生质体培养获得成功的试验,几乎都是用从幼胚或成熟胚诱导形成的胚性愈伤组织或胚性细胞系来游离原生质体。采用这些材料制备原生质体方法简便、产量高、不污染、不易破碎。 1.2 基因型 同一植物不同基因型的原生质体脱分化与再分化所要求的条件不同,所以在相同条件下,不同品种的再生能力不同。王光远和夏镇澳[8]在水稻原生质体培养中曾用26个品种进行组织培养,其中仅有3个品种(粳稻农虎6号、国香1号和上农香糯)能成功地用于原生质体培养,获得再生植株。据统计,小麦获得原生质体再生植株的基因型只有大约10个[9]。基因型的选择在植物原生质体培养中起着重要作用,它不仅影响原生质体的产量和活力,而且还影响植株的再生。Cheng和Veillenux证明芙薯(Solanum phureja)从原生质体培养到愈伤组织形成受2个独立位点的显性基因的调控[10]。因此,现有 收稿日期:2004-03-09;修改稿收到日期:2004-12-12