木质素生物合成途径及其基因调控的研究进展

关键词： 木质素 生物合成 基因调控
Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ Ｌｉｇｎｉｎ Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
Ｇａｏ Ｙｕａｎ１ Ｃｈｅｎ Ｘｉｎｂｏ１，２ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｉｙａｎｇ１
（ １Ｃｒｏｐ ｇｅｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｈｕｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１２８； ２Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂａｓｔ ｆｉｂｅｒ Ｃｒｏｐｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２０５）
摘 要： 木质素是植物体内含量仅次于纤维素的一类高分子有机物质， 在植物体的机械支持、水分运输及抵抗外界 不良环境的侵袭方面起着重要的作用。然而， 它的存在严重影响植物材料在造纸工业、纺织业、畜牧业生产中的应用。木质素 代谢过程中存在多基因现象使得木质素的合成途径出现多样性， 利用共抑制、反义抑制等转基因技术开发低木质素含量的 优良新品种具有重要的意义。
苯丙烷（ ｐｈｅｎｙｐｒｏｐａｎｏｉｄ） 途径是植物 体次生代谢中的一个通用途径， 由 １０ 余 种酶来催化。包括以下几种： ＴＡＬ（ ｔｙｒｏｓｉｎｅ ａｍｍｏｎｉａｌｙａｓｅ， 酪 氨 酸 脱 氨 酶 ） 、ＰＡＬ （ ｐｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅ ａｍｍｏｎｉａｌｙａｓｅ， 苯丙氨酸裂 解酶） 、Ｃ４Ｈ （ ｃｉｎｎａｍａｔｅ ４－ｈｙｄｒｏｘｙｌａｓｅ， 肉 桂 酸－４－羟 基 化 酶 ） 、Ｃ３Ｈ （ ｃｏｕｍａｒａｔｅ ３－ ｈｙｄｒｏｘｙｌａｓｅ， 香 豆 酸－３－羟 化 酶 ） 、Ｆ５Ｈ （ ｆｅｒｕｌａｔｅ－５－ｈｙｄｒｏｘｙｌａｓｅ， 阿 魏 酸－５－羟 基 化 酶 ） 、４ＣＬ（ ４－ ｃｏｕｍａｒａｔｅ ＣｏＡ ｌｉｇａｓｅ， ４－香 豆 酸 辅 酶 Ａ 连 接 酶 ） 、 ＣＣｏＡＯＭＴ（ｃａｆｅｏｙ１－ＣｏＡ３－ Ｏ－ｍｅｔｈｙ１ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ， 咖啡酰辅
变其组分， 已成为当前解决这一难题的重要途径。
１ 木质素的组成及分布
木质素是复杂的苯丙烷类单体聚合物， ３ 种主 要 单 体 为 香 豆 醇 （ ｃｏｕｍａｒｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ） 、 松 柏 醇 （ ｃｏｎｉｆｅｒｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ） 和 芥 子 醇 （ ｓｉｎａｐｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ） 。 在 树 木 中 木 质 素 由 芥 子 醇 、松 柏 醇 、香 豆 醇 聚 合 而 成 。在 硬木（ 双子叶植物） 中木质素主要含芥子醇和松柏 醇； 而软木材木质素（ 松类和银杏） 主要由松柏醇组 成； 松类紧密的木材多含香豆醇。作为生物大分子 的木质素是由几种单体组成的不寻常的复杂无序 的 网 状 结 构 ［２］。 因 单 体 不 同 ， 可 将 木 质 素 分 为 ３ 种 类 型 ：由 紫 丁 香 基 丙 烷 结 构 聚 合 而 成 的 紫 丁 香 基 木 质 素 （ ｓｙｒｉｎｇｙｌ ｌｉｇｎｉｎ， Ｓ－木 质 素 ） ； 由 愈 创 木 基 丙 烷 结
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芥 子 酰 ＣｏＡ 产 生 芥 子 醇 前 体 的 又 一 个 途 径 。 而 玉 兰 、拟 南 芥 中 没 有 发 现 。Ｂｕｇｏｓ 等［７］首 次 从 杨 树 中 克 隆 了 ＣＯＭＴ 基 因 ， Ｓｏｕｔｈｅｒｎ 杂 交 表 明 为 多 基 因 家 族 ， 烟 草 具 有 两 种 不 同 ＣＯＭＴ。Ｈｅａｔｈ 等［８］在 燕 麦 草 中 发 现 ３ 种 不 同 的 ＣＯＭＴ 基 因 ， 编 码 区 同 源 性 在 ７５％ 以 上 ， 非 编 码 区 同 源 性 仅 为 ５３％～６４％。苜 蓿 、 杨 树 、欧 芹 、欧 洲 葡 萄 中 ＣＣｏＡＯＭＴ 的 编 码 基 因 为 ｌ～２ 个 ， 百 日 草 的 ＣＣｏＡＯＭＴ 基 因 多 达 ５～１０ 个 ， 烟 草 具 多 个 ＣＣｏＡＯＭＴ 的 编 码 基 因 ， 根 据 抗 体 反 应 将 它 们 分 为 ３ 种 。菜 豆 中 发 现 ３ 个 ＰＡＬ 基 因 ， ＰＡＬ 在 拟 南 芥 、大 豆 、水 稻 中 为 多 基 因 家 族 ， 在 欧 芹 中 至 少 有 ４ 个 拷 贝 。 北 美 短 叶 松 ＰＡＬ 基 因 有 ５ 类 存 在 明 显 区 别 。火 炬 松 、欧 芹 、水 稻 、杨 树 含 ２ 个 ４ＣＬ 基 因 成 员 ， 烟 草 、大 豆 等 植 物 也 为 多 基 因 家 族 ， 烟 草 中 有 ２ 个 ４ＣＬ 基 因 ， 其 同 源 性 约 为 ８０％。Ｈｕ 等［９］在 颤 杨 中 克 隆 了 两 个 结 构 、功 能 均 不 同 的 ４ＣＬ 基 因 ， 蛋 白 同 源 性 仅 为 ６３％ ， Ｐｔ４ＣＬ１ 主 要 在 木 质 化 的 茎 中 表 达， 对几种肉桂酸衍生物的底物亲和性较高； Ｐｔ４ＣＬ２ 在 茎 与 叶 的 外 周 细 胞 中 表 达 ， 对 相 同 底 物 亲 和 性 低 ， 因 此 认 为 Ｐｔ４ＣＬ１ 参 与 木 质 素 的 合 成 ， Ｐｔ４ＣＬ２ 与 类 黄 酮 物 质 的 生 物 合 成 有 关 。 水 稻 染 色 体 ９ 个 不 同 位 点 包 括 １２ 个 基 因 编 码 产 物 ＣＡＤ。 植 物木质素合成酶系存在多基因家族现象， 一方面说 明了木质素多种生理功能的分子生物学基础， 另一 方面也说明可能存在多条木质素代谢途径。
Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： Ｌｉｇｎｉｎ Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇｅｎｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
木质素是植物体内重要的大分子物质， 是由苯 丙 烷 衍 生 物 经 羟 基 化 、甲 基 化 形 成 的 单 体 聚 合 起 来 的酚类多聚体， 广泛存在于维管植物中， 在植物体 的 机 械 支 持 、水 分 运 输 及 抵 抗 外 界 不 良 环 境 的 侵 袭 方 面 起 着 重 要 的 作 用［１］。 木 质 素 在 自 然 界 的 含 量 相 当丰富， 仅次于纤维素， 陆生植物每年大约固定 １．４×１０１２ｋｇ 碳 素 ， 其 中 ３０％ 贮 存 在 木 质 素 分 子 中 。 不同植物木质素含量不尽相同， 木材中木质素约占 干 重 的 ２７％ ～３２％ ； 禾 本 科 植 物 中 木 质 素 含 量 为 １４％～２５％； 亚 麻 中 含 量 为 ２．５％～５．０％。 然 而 ， 在 造 纸 业 、纺 织 业 等 工 业 生 产 中 ， 木 质 素 是 造 成 废 弃 物 污染， 影响纤维品质的重要原因。通过转基因技术 调节植物次生代谢过程， 降低植物木质素含量或改
２ 木质素的生物合成途径
对于木质素生物合成途径的研究至今还未完 全清楚， 目前普遍认为其合成可分为 ３ 个步骤：（ １） 从植物光合作用后的同 化产物到芳香氨基苯丙氨酸、酪氨酸 和色氨酸等的合成过程， 称为莽草酸 途径。（ ２） 从苯丙氨酸到羟基肉桂酸 （ ＨＣＡ） 及 其 辅 酶 Ａ 酯 类 ， 称 为 苯 丙 酮 酸途径。（ ３） 从羟基肉桂基辅酶 Ａ 酯 类到合成木质素单体及其聚合物的过 程 ， 称 为 木 质 素 合 成 的 特 异 途 径 。其 中 起主要作用和研究重点大都放在苯丙 氨酸途径和木质素合成特异途径这两 个阶段（ 图 １） 。
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｌｉｇｎｉｎ ｉｓ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ａｂｕｎｄａｎｔ ｎａｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ｐｌａｎｔ ｗｉｔｈ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ， ｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｄｅｆｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｔｔａｃｋ ｆｒｏｍ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｉｔｓ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｉｎ ｐｌａｎｔｓ ｈａｓ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｗｏｏｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｐｕｌｐｉｎｇ， ｗｅａｖｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｃｋ ｂｒｅｅｄｉｎｇ．Ｐｏｌｙｇｅｎｅｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｌｉｇｎｉｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｍａｋｅ ｉｔ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｎ ｌｉｇｎｉｎ ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．Ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｒｅｅｄｓ ｗｉｔｈ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｌｉｇｎｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｓｔｅｐｓ．
收稿日期： ２００６－１０－２６ 基金项目： 中国农业科学院杰出人才科研启动经费资助 作者简介： 高原（ １９７８－） ， 男， 湖南农业大学硕士研究生， 研究方向： 植物基因工程 通讯作者： 陈信波， 教授， 博士生导师， Ｅ－ｍａｉｌ： ｃｈｅｎｘｉｎｂｏ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
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生物技术通报 Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
·综 述 与 专 论·
生物技术通报
ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＢＵＬＬＥＴＩＮ
２００７ 年第 ２ 期
木质素生物合成途径及其基因调控的研究进展
高原 １ 陈信波 １， ２ 张志扬 １
（ １ 湖 南 农 业 大 学 作 物 基 因 工 程 实 验 室 ， 长 沙 ４１０１２８； ２ 中 国 农 业 科 学 院 麻 类 研 究 所 ， 长 沙 ４１０２０５）
木质素是细胞次生壁的组成成分之一， 其结构 方 式 和 含 量 依 不 同 的 种 类 、个 体 、组 织 、细 胞 类 型 、 细 胞 层 以 及 环 境 条 件 而 变 化 的 。木 质 素 在 植 物 体 垂 直 分 布 、径 向 分 布 都 表 现 出 不 均 匀 性 ， 如 木 质 素 在 心 材 和 边 材 、春 材 和 秋 材 中 的 分 布 ； 在 植 物 细 胞 内 木质素的分布也是不均匀的， 胞间层木质素的含量 较高， 次生壁较低； 对阔叶木材来说， 木质素分布更 不均匀。
酶 Ａ ３－Ｏ－甲基转移酶） 、ＣＣＨ （ ｃｏｕｍａｒｏｙｌ－Ｃｏｅｎｚｙｍｅ Ａ－３－ Ｈｙｄｒｏｘｙ ｌａｓｅ， 香 豆 酰 ＣｏＡ－３－羟 基 化 酶 ） 、ＣＱＴ （ ｈｙｄｒｏｘｙｃｉｎｎａｍｏｙｌ ＣｏＡ： ｑｕｉｎａｔｅ ｈｙｄｒｏｘｙｌ －ｃｉｎｎａｍｏｙｌ ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ， 羟基肉桂酰辅酶 Ａ： 奎尼酸羟基肉桂酰转 移 酶 ） 、ＣＳＴ （ ｈｙｄｒｏｘｙｌ－ｃｉｎｎａｍｏｙｌ ＣｏＡ： ｓｈｉｋｉｍａｔｅ ｈｙｄｒｏｘｙｃｉｎｎａｍｏｙｌ ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ， 羟基肉桂酰辅酶 Ａ： 莽草 酸羟基肉桂酰转移酶） 、ＣＯＭＴ（ ｃａｆｆｅｉｃ ａｃｉｄ ３－Ｏ－ｍｅｔｈｙｌ ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ， 咖 啡 酸 －３－羟 基 阿 魏 酸－Ｏ－甲 基 转 移 酶 ） 、 ＣＣＲ（ ｃｉｎｎａｍｏｙ１－ＣｏＡ ｒｅｄｕｃｔａｓｅ， 肉桂酰 ＣｏＡ 还原酶） 、 ＣＡＤ （ ｃｉｎｎａｍｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ， 肉 桂 醇 脱 氢 酶 ） 、ＳＡＤ（ ｓｉｎａｐｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ， 芥 子 醇 脱 氢 酶） 。