亞麻韌皮纖維細胞發(fā)育分子生物學研究進展

李 翔 ，陳信波 ，鄒 杰 ，龍松華 ，鄧 欣

（1.湖南農業(yè)大學作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；2.湖南農業(yè)大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；3.中國農業(yè)科學院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

韌皮纖維產生于雙子葉植物的韌皮部位，它的特點是纖維特別的長,纖維素含量高，木質素含量少以及次生細胞壁加厚。主要的韌皮纖維植物是麻類，例如亞麻、黃麻、苧麻、紅麻、大麻等。韌皮纖維包括初生韌皮纖維和次生韌皮纖維。其中亞麻、苧麻、大麻初生韌皮纖維發(fā)達，主要利用的是初生韌皮纖維；黃麻和紅麻利用的是次生韌皮纖維[1]。它們廣泛應用于紡織，制造繩索，麻布，工業(yè)用厚布，包裝材料等行業(yè)。亞麻是自然界三大纖維作物之一。其纖維具有拉力強、柔軟、細度好等特點。亞麻屬二倍體植物，具有基因組?。ù蠹s700 Mbp）、自花授粉、植株相對比較小等優(yōu)勢，作為韌皮纖維發(fā)育遺傳和分子機理研究的模式植物。在分子水平上研究其發(fā)育規(guī)律有助于提高韌皮纖維的質量和產量。

亞麻纖維的質量與細胞壁的化學組成和結構相關。成熟的亞麻韌皮纖維組成成分主要為70%～75%的纖維素，15%的半纖維素，10%～15%的果膠以及1.5%～4.2%的H型木質素[2-3]。在發(fā)育成熟的韌皮纖維中，纖維素被含有β-半乳聚糖的非纖維素所覆蓋包裹[4-5]。

1 亞麻韌皮纖維細胞發(fā)育

亞麻韌皮纖維主要為初生韌皮纖維，纖維束由12～40個纖維細胞組成。韌皮纖維細胞起源于頂端分生組織的原形成層產生的原生韌皮部中細胞質濃厚、較大的細胞，在發(fā)育過程中常出現多核[1]。隨著植株生長，韌皮纖維細胞發(fā)育主要經歷兩個階段：細胞伸長和次生細胞壁加厚。與棉纖維細胞這兩個階段發(fā)育不同，亞麻韌皮纖維細胞的這兩個階段是不重疊的[6-7]。

1.1 韌皮纖維細胞伸長

細胞伸長主要包括協(xié)同生長（coordinated growth）和侵入生長（intrusive growth），其中協(xié)同生長只持續(xù)幾個小時，侵入生長持續(xù)2～4 d，每天伸長1～2 cm。單個纖維細胞伸長結束時可以達到平均33 mm的長度，這都是由侵入生長決定的。協(xié)同生長的細胞含有較少的基粒類囊體，核分裂是同步的，胞間連絲也是存在的。侵入生長時期的細胞含有較多的基粒類囊體，核分裂不同步，具有多核，沒有胞間連絲，使得纖維發(fā)育成為獨立的共質體區(qū)域[8]。植物細胞中，侵入生長主要有兩種形式：頂端生長（tip growth）和擴散生長（surface/diffusive growth）。亞麻韌皮纖維細胞的侵入生長在很長一段時間被認為是頂端生長模式，然而Gorshkova等[9]由放射自顯影標記結果得出的結論是亞麻韌皮纖維細胞伸長主要表現為擴散生長，而不是頂端生長。這個結論也由Ageeva等[10]通過微管蛋白免疫標記，電子顯微鏡和光學顯微鏡等實驗得以證實。

1.2 韌皮纖維細胞次生壁加厚

植株進入快速生長期時，出現分界點（the snap point），分界點以上的細胞停止伸長，分界點以下的細胞就進行細胞壁加厚[11]。隨著植株的生長，分界點沿著莖向上移，當莖的發(fā)育完成，進入開花期（一般在發(fā)芽7周后），分界點消失。次生細胞壁加厚與纖維素沉積息息相關，纖維素的沉積量決定細胞壁厚度，韌皮纖維品質也是由這個階段決定的。纖維束外部細胞的次生細胞壁先加厚，加厚的過程一般持續(xù)2個月左右，纖維束各細胞細胞壁在橫截面上的加厚程度差異很小。與其它類型細胞的細胞壁只有0.1～1.0μm不同，成熟的韌皮纖維細胞壁能達到10μm以上。這個時期，半乳糖體自由基含量很高（14mM），是細胞侵入生長伸長時的13～20倍。β-半乳糖苷酶活性也很高，它以組織階段特異性的β-1,4半乳糖體為底物[12]。可溶性高分子量半乳聚糖以及其特異的高爾基體囊泡在整個細胞伸長時期是不存在的，而是在早期的細胞壁加厚時期開始積累，纖維成熟時期消失[13]。

Girault等[14]通過Yariv試劑在次生細胞壁中觀察到含量比較豐富的阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP）以及其定位，推測次生細胞壁沉積方式是按照圓形環(huán)狀循環(huán)排列的。AGP骨架主要是由谷氨酸，天冬氨酸，絲氨酸，丙氨酸，甘氨酸和蘇氨酸組成，缺少羥脯氨酸。Hotte等[15]通過質譜法和雙向電泳檢測亞麻韌皮纖維細胞次生壁發(fā)育早期抽提的蛋白質組，發(fā)現鉀離子通道亞基，鈣磷脂結合蛋白，膜孔蛋白，分泌途徑組件，β-淀粉酶，β-半乳糖苷酶以及果膠和半乳糖合成酶的含量很高。這些都與之前用組織和生物化學手段研究旺盛的次生細胞壁沉積過程相一致，特別是重要的半乳聚糖和分泌蛋白[13]。大量的β-淀粉酶的存在，可推測出淀粉可能是亞麻韌皮纖維細胞壁的原始材料。鈣磷脂蛋白在纖維發(fā)育過程中，可能與纖維素的合成有關。熱激蛋白HSP60，HSP70，HSP90 含量也很高[15]，推測其與細胞內蛋白質折疊，蛋白質運輸到線粒體和葉綠體有關。特別是HSP70，可能與亞麻纖維次生細胞壁沉積過程中質膜形成有關。

2 纖維特異性半乳聚糖和高爾基體在次生細胞壁加厚中的作用

纖維特異性半乳糖體在亞麻纖維細胞發(fā)育過程中擔任著重要的角色。這種特異性半乳聚糖出現在次生細胞壁加厚時期，它大體（90%）是以鼠李糖為骨架，側鏈由半乳糖體按照β-1,4連接構成，類似Ⅰ型聚鼠李半乳糖醛酸（RG-Ⅰ）聚合體。它們大多數都是短鏈，也有含28個半乳糖基的長鏈。其分子量在700～2 000 kDa范圍之間，遠遠大于從成熟纖維細胞壁抽提出的半乳聚糖[16-18]。纖維成熟時，觀察到兩種類型結構的交聯(lián)半乳聚糖，類似于可溶性半乳聚糖長側鏈的C-L結構和短鏈的C-S結構。通過脈沖追蹤實驗得出，可溶性半乳聚糖固定在細胞壁上，導致半乳聚糖交聯(lián)。它也能夠使纖維素合成后結晶的時間延遲，這可能推測出其在纖維素微纖絲軸向取向中起著重要的作用[19]。

特異的半乳聚糖是通過特異的高爾基體囊泡分泌的。次生細胞壁形成階段的高爾基體囊泡具有兩種顏色（中間是暗的，周圍是亮的），很容易與纖維細胞發(fā)育過程中其他組織或不同階段的囊泡區(qū)別開來。許多這種特異性高爾基體囊泡互相融合在一起，形成大的液泡，最大直徑可達4μm。最后，這種雙色的囊泡和液泡與細胞質膜融合，以類似注射的方式，將囊泡里的內含物，如組織特異性的β-1,4半乳糖體釋放到周質，在細胞壁的內側表面形成暗帶[8]。高爾基體囊泡的融合為細胞壁合成組裝提供了充足的原料。特異性的半乳糖體被釋放到大面積的周質中，能增加其與纖維素微纖絲相遇的機會，從而為細胞壁纖維素微纖絲軸向組裝提供原料。

3 ESTs和基因芯片分析在亞麻韌皮纖維細胞發(fā)育中的研究進展

Day等[20]通過對亞麻開花期中期的韌皮纖維組織927條ESTs進行分析，發(fā)現4.4%的ESTs是與細胞壁形成和成熟相關的。其中表達量高的有β-木糖苷酶，纖維素合成酶（CesA），木葡聚糖核內轉移/水解酶（XTH），β-半乳糖苷酶以及過氧化物酶基因。Roach等[21]對亞麻韌皮部cDNA文庫分析得到一致的結果。CesA在開花期和綠熟期表達量高，這個時期是次生細胞壁進一步加厚，纖維素沉積，纖維逐漸成熟的時期。肉桂酰輔酶A還原酶（CCR）基因在快速生長期表達量高于開花期，表明木質化始于這個時期。

Roach等在此基礎上做了兩個系列的基因芯片和qRT-PCR分析。在細胞伸長階段，存在很多水通道蛋白和使細胞壁變松散的碳水化合物酶。水通道蛋白能調節(jié)細胞滲透壓，當滲透壓大的時候可以抑制協(xié)同生長。果膠酯酶能將細胞壁的果膠基質變得松散，XTH能改變木葡聚糖的結構以此適應細胞膨脹，這些都與細胞伸長有關。次生細胞壁加厚時期，蔗糖合成酶（SuSy）和果膠激酶含量豐富，纖維素合成酶就是以蔗糖合成酶合成的尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）為底物，合成纖維素[22]?；蛐酒蛯崟r熒光定量PCR分析得出阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGP），阿拉伯半乳聚糖成束蛋白家族（FLA）和脂質轉移蛋白（LTPs）基因大量轉錄表達。在大麻韌皮纖維發(fā)育的基因芯片分析中也發(fā)現這三種蛋白基因的大量轉錄表達[23]。AGP與半乳聚糖的形成和纖維素微纖絲軸向取向有關。FLA蛋白家族在翻譯后修飾比較多，通過對亞麻和富含凝膠纖維的白楊應拉木該基因的序列分析，發(fā)現其功能區(qū)域的保守性很強[24]。LTPs能提高細胞壁的伸展性，與纖維素合成有關，這些在煙草和棉花中得到證實[25-26]，推測這三類蛋白在韌皮纖維發(fā)育過程中起著重要作用。

4 展 望

韌皮纖維細胞發(fā)育是個復雜的過程，受很多基因表達調控影響。亞麻由于自身的優(yōu)勢可作為研究韌皮纖維發(fā)育和次生細胞壁形成的模式植物。由于包括亞麻在內的麻類基因組測序還未完成，很多與韌皮纖維細胞發(fā)育相關的基因功能尚未具體鑒定和闡述。但是隨著亞麻韌皮部cDNA文庫的建立，EST，基因芯片和蛋白質組分析的發(fā)展，可以從中選取與纖維發(fā)育相關的候選基因，進行基因功能鑒定，這將對研究韌皮纖維細胞發(fā)育的基因調控分子機理有很大的幫助。再加上近年來各種分子標記的開發(fā)[27]，可以進一步篩選出與纖維細胞發(fā)育相關的標記。利用分子標記輔助育種和基因工程技術培育出優(yōu)良品質的亞麻韌皮纖維新品種也將指日可待。

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