植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚調(diào)控的研究進展

文 靜王春濤楊永平

（1.中國科學(xué)院昆明植物研究所，云南 昆明 650201；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

植物維管組織由輸導(dǎo)組織、薄壁組織、分生組織以及機械組織構(gòu)成，是植物各器官間物質(zhì)能量運輸?shù)幕就ǖ溃⒃诰S持植物形態(tài)方面起支撐作用。維管組織使植物體內(nèi)的水分、有機養(yǎng)料和礦物質(zhì)可以快速運輸和分配，從而降低植物對于水分環(huán)境的高度依賴，在植物進化進程中起著極其重要的作用。高等植物體中，維管組織主要的兩大輸導(dǎo)組織為韌皮部和木質(zhì)部，韌皮部主要輸送有機物質(zhì)，木質(zhì)部主要輸送水分及礦質(zhì)元素。木質(zhì)部由管狀分子、木薄壁細胞以及木纖維3部分組成，其中管狀分子和木纖維細胞均會經(jīng)歷次生細胞壁加厚的過程，從生物學(xué)的角度來說，次生壁加厚使維管植物可承受蒸騰作用造成的維管負壓并提高莖的機械強度[1]，為維管植物在陸地生存奠定了基礎(chǔ)。從工業(yè)生產(chǎn)而言，次生壁是木質(zhì)纖維生物質(zhì)材料的主要組成部分，木質(zhì)纖維生物質(zhì)材料是建筑用木材和造紙用紙漿的主要原料，是一種具有環(huán)境成本效益的可再生能源[2]。在作物培育方面，木質(zhì)化程度的高低會影響蔬菜品質(zhì)，如：下胚軸木質(zhì)化程度過高影響蘿卜（Raphanus sativus）、蔓菁（Brassica rapa）等作物的品種口感。因此，加深對植物次生細胞壁加厚的研究既有利于增進對植物生長發(fā)育及進化理論的認識，也可從生產(chǎn)實踐出發(fā)，通過雜交等遺傳學(xué)手段培育具更高利用價值的植物新品種。

隨著植物生長發(fā)育進程的推進，木質(zhì)部細胞也逐漸發(fā)生特化從而形成導(dǎo)管、管胞、木薄壁細胞、木纖維和木射線，不同類型細胞會經(jīng)歷一次或多次的次生壁加厚過程，其中導(dǎo)管及管胞細胞壁發(fā)生木質(zhì)化并產(chǎn)生環(huán)紋、螺紋、網(wǎng)紋、梯紋和孔紋等形式的次生加厚，木纖維木質(zhì)化的次生壁常厚于管胞壁，木射線由薄壁組織細胞組成，木薄壁細胞具加厚的次生壁但木質(zhì)化程度相對較低，這一系列的加厚過程受到多種因素的調(diào)控，包括對植物次生壁主要組分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）生物合成過程的調(diào)控。對植物次生壁細胞加厚的分子機制的研究是近年來植物學(xué)研究中的一個熱點問題，諸多研究表明植物次生細胞壁加厚是復(fù)雜而有序的過程，受多個轉(zhuǎn)錄因子參與的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，以轉(zhuǎn)錄因子NAC和MYB類為核心的多轉(zhuǎn)錄因子共同構(gòu)成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)參與到不同細胞壁組分的合成中，逐級調(diào)控纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的生物合成。近年來的研究進一步豐富了植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，但不同水平及層次間的調(diào)控關(guān)系還有待進一步明晰。本文意在整理總結(jié)植物木質(zhì)部分化過程中次生壁加厚的分子層級調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究，并以水稻（Oryza sativa）為代表的單子葉植物、擬南芥（Arabidopsis thaliana）為代表的雙子葉植物和楊樹（Populussp.）為代表的木本植物為例，系統(tǒng)整合植物次生壁加厚過程中的調(diào)控機制，盡可能為該領(lǐng)域研究提供完整的現(xiàn)狀描述并提出建議性的研究思路。

1 植物木質(zhì)部細胞分化及組成

木質(zhì)部承擔著植物體水分和無機鹽運輸及機械支持等多種功能，維管植物木質(zhì)部主要由初生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部組成。維管植物初生生長和分化時，原形成層分化而成的木質(zhì)部稱初生木質(zhì)部，含有纖維和薄壁細胞。初生木質(zhì)部隨著細胞分化形成原生木質(zhì)部和后生木質(zhì)部，前者是木質(zhì)部最早形成的部分，由管狀分子及其周圍薄壁細胞組成，原生木質(zhì)部分化后形成由管狀分子、薄壁細胞和纖維組成的后生木質(zhì)部。維管植物次生生長時，維管形成層產(chǎn)生次生木質(zhì)部，次生木質(zhì)部包括管狀分子、薄壁細胞和纖維。其中，管狀分子和纖維細胞均發(fā)生次生壁加厚。

2 植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚調(diào)控研究近些年來廣受關(guān)注，其轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控機制研究也取得了一定的進展，目前認為以NAC和MYB兩類轉(zhuǎn)錄因子為核心成員，PHB、REV等其他轉(zhuǎn)錄因子共同參與形成的錯綜復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)涉及到纖維素大量合成、不同亞類半纖維素的合成和木質(zhì)素合成過程，逐級調(diào)控木質(zhì)部次生細胞壁組分形成。當前有關(guān)木質(zhì)部次生細胞壁加厚的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究已較為深入，并構(gòu)成了具有3個層次的植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

圖 1 4種模式植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Transcription regulation network of the xylem cells secondary wall thickening in 4 pattern plants

2.1 轉(zhuǎn)錄開關(guān)因子

植物細胞次生壁加厚過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子NAC轉(zhuǎn)錄因子家族可根據(jù)其調(diào)控部位分為3類：第1類VND（vascular?related NAC domain）基因家族，VND1～7編碼的一組NAC轉(zhuǎn)錄因子是參與木質(zhì)部導(dǎo)管細胞分化的主要調(diào)控因子，不同VND基因間存在不同程度的功能冗余[3]。Kubo于2005年首次揭示了VND6和VND7這2類轉(zhuǎn)錄因子在原生木質(zhì)部和后生木質(zhì)部發(fā)育過程中的調(diào)控作用，該研究中采用的顯性抑制方法在后期轉(zhuǎn)錄因子的作用研究中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。過表達VND6表現(xiàn)為后生木質(zhì)部加厚，而過表達VND7導(dǎo)致原生木質(zhì)部發(fā)生次生壁加厚[4]，其中VND6直接結(jié)合并調(diào)控具有細胞程序性死亡的特異性順式元件TERE的基因，引導(dǎo)導(dǎo)管分子細胞程序性死亡[5]。VND7是擬南芥維管組織發(fā)育調(diào)節(jié)基因HD?ZIP III基因REV和PHB的上游調(diào)節(jié)因子[6-7]，所以VND蛋白的功能研究主要集中于這2個基因上。此外，VND6/VND7轉(zhuǎn)錄因子的表達也受到上游基因的調(diào)控。LBD18（lateral organ boundaries domain 18）/ASL20（asymmetric leaves 2-like 20）和LBD30/ASL19在幼苗期植物葉和根的木質(zhì)部導(dǎo)管中特異表達，正向調(diào)控VND6/VND7轉(zhuǎn)錄因子，同時也受到VND6/VND7的反饋調(diào)節(jié)[8]。Yamaguchi等通過酵母雙雜交系統(tǒng)篩選出VNI2（VND?INTERACTING2），VNI2以較低親和力有效地與VND7和VND1～5蛋白互作，并對VND7的特異性表達產(chǎn)生抑制作用[9]。LBD15/ASL11在擬南芥幼苗期導(dǎo)管細胞中特異表達時對VND7的表達起正向調(diào)控作用[10]，香蕉中VND6/VND7轉(zhuǎn)錄因子受到了上游SNBE-like位點特異性激活[11]。與LBD相反，VNI2在木質(zhì)部和韌皮部都有表達，并負向調(diào)控VND[9]。E2Fc對VND7的調(diào)控具有兩面性：表達量過高或過低時抑制VND7表達，適量表達時對VND7起激活作用[12]。VND家族的其他成員也與木質(zhì)部導(dǎo)管形成相關(guān)，VND1～5在擬南芥各器官中均有表達，在莖微管組織的木質(zhì)部導(dǎo)管中表達量最高。VND1、VND2和VND3在原形成層細胞中表達，而VND4和VND5的表達主要在下胚軸木質(zhì)部中。VND1～5的過表達都能誘導(dǎo)次生壁合成基因的表達上調(diào)，并促使薄壁細胞中的次生壁加厚。在VND3的顯性抑制突變體中，次生壁加厚減弱，并導(dǎo)致木質(zhì)部塌陷[13]。最新研究表明在擬南芥幼苗發(fā)育過程中光照條件與木質(zhì)部導(dǎo)管形成有關(guān)，而VND1～3是黑暗中子葉葉脈次生木質(zhì)部導(dǎo)管細胞分化的主要調(diào)控因子[14]。這些結(jié)果表明，VND家族基因（VND1～7）相互協(xié)作，特異性調(diào)控木質(zhì)部導(dǎo)管細胞次生壁的加厚過程[13]，同時VND蛋白也受到上游基因的調(diào)控。

第2類轉(zhuǎn)錄因子包括在擬南芥纖維細胞中特異表達的NST1（NAC secondary wall thickening promoting factor 1）/NST3（SND1）（secondary wall-associated NAC domain protein 1），是調(diào)控木質(zhì)部纖維細胞次生壁加厚的關(guān)鍵因子[15-16]，且參與調(diào)節(jié)擬南芥的角果的形成[17]。其中，SND1的表達與纖維中次生壁的增厚相關(guān)，顯性抑制SND1的表達可使得纖維的次生壁厚度明顯降低[18]。同時，Mitsuda等[15]和Zhong等[19]發(fā)現(xiàn)NST1和NST3（SND1）存在功能性冗余，在nst1 nst3雙突變體中，木質(zhì)部導(dǎo)管的加厚不受影響，而其他維管束間纖維和木質(zhì)部次生細胞壁加厚完全被抑制。SND1 / NST1-RNAi植物莖中的纖維細胞缺乏所有3種主要的次生壁組分，包括纖維素，木聚糖和木質(zhì)素，伴隨其生物合成涉及的基因表達量嚴重降低。擬南芥NST3（SND1）啟動子在楊樹次生木質(zhì)部仍具有明顯的活性，可作為基因修飾次生細胞壁組分和木材生物量的一種選擇[20]。

第3類為NST1/NST2轉(zhuǎn)錄因子，主要參與調(diào)控花粉囊皮層細胞的次生細胞壁加厚過程[1]?；ㄋ巸?nèi)皮細胞次生壁的橫紋與木質(zhì)部管狀分子的相似[1]，這些次生壁加厚所產(chǎn)生的拉力對擬南芥花藥的正常開裂至關(guān)重要[21]。過表達NST1/NST2不僅使得植株花器官中的花藥、雄蕊和胚珠等的次生壁加厚，同時也誘導(dǎo)莖稈、葉片和根等組織中的細胞發(fā)生次生壁異常加厚[22-23]。在nst 1突變體中，由于花藥表皮細胞壁木質(zhì)素合成受阻，導(dǎo)致植株花藥不能開裂，同時，nst1 nst2雙突變體植株也與nst 1突變體具有相同的表型[1]，說明NST1/NST2在花藥內(nèi)皮中存在功能冗余性，并與SND1一起調(diào)節(jié)莖纖維中的次生壁生物合成[22]。因此，不同器官的次生壁加厚過程不但在結(jié)構(gòu)上極為相似，而且受到某些基因的共同調(diào)控。

2.2 次級轉(zhuǎn)錄因子

NAC家族轉(zhuǎn)錄因子作為轉(zhuǎn)錄開關(guān)調(diào)控植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚過程，與位于調(diào)控網(wǎng)絡(luò)第1層的NST1，NST2和NST3以及VND6和VND7在蛋白序列上具有極高的同源性，且對下游轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控也具有極大關(guān)聯(lián)性。研究發(fā)現(xiàn)MYB46和MYB83受兩類NAC轉(zhuǎn)錄因子直接調(diào)控，共同調(diào)控次生細胞壁的加厚[24-25]。MYB46直接結(jié)合下游14個與木質(zhì)素和纖維素合成相關(guān)基因的啟動子并激活表達，包括纖維素合成基因CESA4（cellulose synthase 4）、CESA7和CESA8[26]，甘露糖合成基因CSLA9（cellulose synthase-like A 9）[27]，以及木質(zhì)素和木聚糖生物合成相關(guān)基因[28]。myb46 myb83雙突變體植株導(dǎo)管和纖維中均無次生壁形成，且早期幼苗生長停滯至萎蔫死亡[29]，這些研究結(jié)果說明MYB46和MYB83是植物次生細胞壁形成的關(guān)鍵調(diào)控因子。MYB46和MYB83的超表達同時激活2級轉(zhuǎn)錄因子的表達從而調(diào)控合成，目前已被報道的2級轉(zhuǎn)錄因子有MYB20、MYB42、MYB43、MYB52、MYB54、MYB58、MYB63和MYB85，這些基因均作為調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵因子直接或間接的誘導(dǎo)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素合成基因的表達[24-25,30-31]。其中，MYB20、MYB42、MYB43和MYB85是擬南芥木質(zhì)部次生細胞壁合成過程中直接激活調(diào)控木質(zhì)素和苯丙氨酸生物合成的轉(zhuǎn)錄因子，并特異性的抑制類黃酮的生物合成[32]。MYB52和MYB54負調(diào)控木質(zhì)部次生細胞壁的增厚[31]。MYB58和MYB63的過表達導(dǎo)致木質(zhì)素生物合成基因的特異性激活以及木質(zhì)素在未木質(zhì)化細胞中的異位沉積[30]。

3 其他植物中次生細胞壁加厚調(diào)控

擬南芥木質(zhì)部分化受到多層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，NAC和MYB兩個轉(zhuǎn)錄因子家族存在相當高的序列保守性，其同源基因同樣存在于其他植物類群中。楊樹作為重要的經(jīng)濟植物與能源植物，提高木本植物生物量的研究一直受到廣泛關(guān)注。玉米（Zea may）和水稻（Oryza sativa）作為重要的糧食作物，產(chǎn)量及抗性研究也一直是眾多研究需要迫切解決的熱點問題，次生壁合成機制的闡明在此3類物種研究中尤其重要。功能基因組研究表明NAC類轉(zhuǎn)錄因子在楊樹、水稻、玉米等多個植物類群中具有類似于擬南芥轉(zhuǎn)錄開關(guān)因子的作用[33]。

楊樹中有6個與NST同源的基因，PtrWNDs在木質(zhì)化細胞中表達，其在擬南芥中異源表達可恢復(fù)snd1 nst1雙突變體表型，超表達可引起次生壁合成基因表達上升[34-38]。而其基因組中至少192個編碼R2R3?MYB轉(zhuǎn)錄因子的基因中少數(shù)成員被發(fā)現(xiàn)具有相似的功能[39]。例如，PtrMYB2、PtrMYB21、PtrMYB3和PtrMYB20是NAC結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子PtrWND2B和PtrWND6B的直接靶標[36]。作為擬南芥MYB46和MYB83的同源基因，PtrMYB3和PtrMYB20在擬南芥中過表達會激活纖維素、木聚糖和木質(zhì)素的生物合成途徑，在楊樹中由PtWND2直接激活參與楊樹木質(zhì)部次生細胞壁的合成調(diào)控[40]，同時激活了許多與次生壁相關(guān)的次級轉(zhuǎn)錄因子的表達，包括MYB42、MYB54、MYB58、MYB63和MYB85[40]。擬南芥MYB42和MYB85的同源基因PtoMYB92過表達導(dǎo)致莖中次生細胞壁厚度的增加和木質(zhì)素在葉中的異位沉積[41]。PtoMYB216和PtrMYB152也被證明與木質(zhì)素合成相關(guān)[42-43]。

在水稻和玉米中，次生壁相關(guān)的NAC轉(zhuǎn)錄因子（即OsSWNs和ZmSWNs）可恢復(fù)擬南芥snd1 nst1雙突變體的次生壁增厚缺陷[44]。MYB轉(zhuǎn)錄因子OsMYB46和ZmMYB46是擬南芥MYB46/MYB83的功能直系同源基因，當在擬南芥中過表達時，其可激活整個次生細胞壁的生物合成[44]。與NST直系同源的SWNs（secondary wall NAC domain proteins）蛋白可恢復(fù)擬南芥nst1 nst3雙突變體的下垂表型[44]，且OsSWN參與調(diào)節(jié)水稻次生壁的形成[45]。此外，水稻中有3個SND1的同源基因，分別為OsSWN1、OsSWN3和OsSWN7。玉米中有4個，分別為ZmSWN1、ZmSWN3、ZmSWN6和

ZmSWN7。

4 展望

維管植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚研究對植物更好的適應(yīng)陸生旱地環(huán)境意義重大，且對生物質(zhì)材料修飾或作物改良提供了堅實的理論支撐。有關(guān)木質(zhì)部次生細胞壁加厚的3個層次的植物木質(zhì)部次生細胞壁加厚調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。以NAC、MYB轉(zhuǎn)錄因子家族為核心的整體調(diào)控過程也逐漸清晰，但次生細胞壁加厚過程所伴隨的細胞停止生長是細胞壁加厚的原因還是結(jié)果；植物次生壁停止加厚的機制，是否與糖類循環(huán)過程相關(guān)等核心問題還尚未解決，對于轉(zhuǎn)錄開關(guān)因子上游調(diào)控信號以及二級轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄后調(diào)控水平機制也不甚清楚。隨著問題的提出，逐漸意識到對于植物分子轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制的研究不應(yīng)僅局限于單個轉(zhuǎn)錄因子作用及靶點的研究，對于單條轉(zhuǎn)錄調(diào)控途徑的發(fā)現(xiàn)也不足以剖析次生細胞壁加厚機制，且對次生壁合成的獨立研究并不利于生物質(zhì)材料和優(yōu)良作物的產(chǎn)生，因此利用生物信息學(xué)、功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等相關(guān)技術(shù)和手段，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析和ChIP?seq等高通量測序方法等對細胞壁加厚過程中不同層級轉(zhuǎn)錄因子的作用機理及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進行揭示，為培育優(yōu)良的農(nóng)林品種提供新的思路及解決方案。