【DOC】植物表皮蜡质合成和运输途径研究进展

【DOC】植物表皮蜡质合成和运输途径研究进展 植物表皮蜡质合成和运输途径研究进展 中国患学通搪2012,28(03):225—232 ChineseAgriculturalScienceBulletin 植物表皮蜡质合成和运输途径研究进展 吉庆勋,刘德春,刘勇 (江西农业大学农学院,南昌330045) 摘要:植物表皮蜡质是覆盖在所有陆生植物地上部分表面的一层疏 水屏障,对植物的生长发育和适应 外界环境起着重要的作用.综述了有关植物表皮蜡质合成,运输和调 控途径的最新研究进展,并对这些 途径中存在的问题及其研究前景进行了探讨. 关键词:蜡质;基因;合成;调控;运输 中图分类号:Q946.4文献标志码:A论文编号:2011-2092 AdvancesofPlantCuticularWaxBiosynthesisandExportPathway JiQingxun,LiuDeehun,Liuyong (CollegeofAgriculture,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045) Abstract:Plantcuticularwax,ahydrophobielayerthatcoverstheaerialsurfac esofalllandplants,plays importantrolesinplantgrowthanddevelopment,andinplantadaptationtoenvironment.Thisarticlereviewed therecentadvancesinplantcuticularwaxbiosynthesis,exportandregulation pathways.Theproblemsandthe researchforegroundofthesepathwayswerealsodiscussedinthisarticle. Keywords:wax;gene;biosynthesis;regulation;export 0引言 植物表皮蜡质是各种脂类化合物组成的一层疏水 屏障,覆盖在陆生植物地上大部分器官的表面,是植物 表面的重要结构.植物表皮蜡质组成成分复杂,不同 的植物组成成分也不同,主要是由碳原子数在20,34 碳之间的特长链脂肪酸及其衍生物(包括烷烃,醇,醛, 脂肪酸和酯等)组成,还包括萜类和其他微量次级代谢 物如固醇和类黄酮类物质.一般认为,表皮蜡质具有 阻止植物非气孔性失水,维持植物表面清洁与植物表 面防水,抵御病虫害,防止有害光线对植物的损伤,反 射可见光,影响叶片和果实着色,防止果实开裂等生理 功能,另外蜡质对植物叶片和果实的形态发育和花粉 发育也有重要影响,进而影响植物的育性u】. 植物蜡质合成和运输是一个非常复杂的过程,需 要一系列酶和编码这些酶的基因的参与.但是由于大 多数参与蜡质合成和运输的酶都是膜结合蛋白,且大 多以多酶复合体的形式存在,分离起来比较困难,因此 目前对参与植物蜡质合成和运输途径的酶和基因的研 究还不彻底,许多酶和基因都没有被鉴定出来,极大地 阻碍了人们对植物蜡质合成和运输途径的理解. 近年来,研究者们采用各种先进的遗传,生化和分 子生物学分析技术,对植物蜡质合成和运输途径进行 了深入的研究,取得了许多进展,部分蜡质合成与运输 途径的具体环节已经阐明.笔者综述了目前已经研究 清楚的蜡质合成与运输途径及其调控机理,并对其中 存在的问题及其研究前景进行了探讨. 1植物蜡质合成途径 1.1特长链脂肪酸(verylongchainfattyacids, VLCFAs)合成 植物表皮蜡质前体特长链饱和脂肪酸(VLCFAs) 基金项目:国家自然科学基金项目”脐橙果皮光泽型突变体蜡质合成和运输关键基因的筛选,分离及鉴定”(31160384):江西省自然科学基金项目”脐 橙果皮蜡质差异表达基因研究”(2009GZN0024). 第一作者简介:吉庆勋,男,1986年出生,河南濮阳人,硕士,主要从事果树分子生物技术研究.通信地址:330045江西省南昌市江西农业大学农学 院,E-maihjqxl213@163.toni. 通讯作者:刘勇,男,l965年出生,江西湖口人,教授,硕士生导师,博士,研究方向:果树发育生理,果树种质资源与果树生物技术.通信地 址:330045 江西省南昌市江西农业大学农学 院,Tel:0791.3828149,E.mail:liuyongjxau@sina.com. 收稿日期:2011-07-20,修回日期:2011-10—17. ? 226’中国农孝通报 的合合成必须分2步在表皮细胞不同的亚细胞结构中 完成. 第一步是在植物表皮细胞质体中由脂肪酸合成酶 复合物(fattyacidsynthasecomplex,FAS)催化乙酰辅 酶A(C—CoA)的酰基链经过多个循环反应延伸成C. 或C酰基一ACP,再由酰基.ACP硫解酶ff_a仕y acyl—ACPthioesterase,FAT)催化形成自由的C1或C. 脂肪酸,然后由质体外膜上的长链酰基辅酶A合成酶 (1ong?chainacyl-CoAsynthetase,LACS)催化形成相应 的酰基辅酶A,再转移到内质网上.FAS由4种可溶性 酶组成,其中的.酮酰基ACP合成酶.ketoacylACP synthase,KAS)具有一定的酰基链长度特异性:KASIII 催化的酰基链长度为C:到C,KASI(C到C),KASII (c到C..).因此,根据FAS所含KAS酶的种类可将 FAS分为3类型p】. C和C脂肪酸的进一步延伸需要通过FAT将它 们从ACP载体蛋白上释放出来,拟南芥功能缺陷 型突变体的茎和叶中,总蜡质含量分别降低了50%和 2O%,基于这个表型,研究者们发现拟南芥脂肪酰基 ACP硫酯酶B(FATB)可以催化C.酰基一ACP(和一种 未知的C..化合物)裂解释放出自由的脂肪酸,从而参 与植物蜡质合成过程H]. 脂肪酸通过硫酯酶从ACP中释放出来之后,会由 质体外膜上的LACS催化形成相应的酰基辅酶A.基 于被标记的脂肪酸从质体中外运的动力学研究,脂肪 酰基很可能是通过一种简单的扩散作用从硫酯酶转移 到LACS,但是这2种酶之间的迁移机理,目前还不清 楚[5】.目前,在拟南芥中发现了9个LACS基因】,其中 只有LACS2参与了表皮角质的合成.研究者们发现 拟南芥LACS2突变体莲座叶上角质成分含量减少,而 不是蜡质.事实上,LACS2突变体莲座叶上蜡质成分 不是减少了,而是增加了[7-8].因此,究竟是哪一种 LACS负责催化质体中合成的脂肪酸形成相应的酰基 辅酶A,从而参与植物蜡质的生物合成还有待进一步 的研究. 第二步是C.或C.脂肪酸延伸形成VLCFAs用来 作为蜡质合成的直接前体物质.VLCFAs是在植物表 皮细胞的内质网中由脂肪酸延伸酶(multienzymefatty acidelongase,FAE)复合体催化形成.FAE使用丙二 酰.CoA作为酰基供体.质体外的丙二酰.CoA是由乙 酰辅酶A羧化酶(acety1.CoAcarboxylase,ACCase)催化 产生.在拟南芥中有2个编码ACCase的基因(C 和ACC2),目前已经证明ACC1确实起到了为 VLCFAs的延伸提供丙二酰.CoA的作用”.在内质 网中,以在质体中形成的C或C脂肪酸和丙二 酰-CoA为底物,在FAE的催化下,经过多个循环反应, C或C.脂肪酸底物被延伸成为具有足够碳链长度 (20~34)的VLCFAs.每个循环包括4反应,分别由一 酮脂酰辅酶A合成酶.ketoacy1.CoAsynthase,KCS), . 酮酰基辅酶A还原酶.ketoacy1.CoAreductase, KCR),.羟酰基辅酶A水解酶(B-hydroxyacy1.CoA dehydratase,HCD)和烯酰基辅酶A还原酶(enoy1.CoA reductase,ECR)4种酶控制,其中KCS具有严格的底物 特异性,它的类型决定了循环反应的速度和最终得到 的酰基辅酶A产物的酰基链长度”. 目前,在植物中已经发现了ELO和FAE12种类 型的KCSt.在拟南芥中已经发现了4个ELO类型 的KCS基因,但它们的具体功能尚未鉴定.另外,在 拟南芥中也已经发现了21个FAE1类型的KC”].一 个还未解决的问题是有多少种KCS参与了VLCFAs 酰基的延伸过程.这是因为同一种KCS通常可以催 化一系列连续的延伸步骤,而不同的KCS可以催化的 VLCFAs的碳链长度有可能重叠.从拟南芥中克隆出 的CUT1偬6基因编码一种FAE1类型的KCS, CUT1/CER6是到目前为止在拟南芥中发现的唯一个 专门催化碳原子数大于22的VLCFAs的酶.基因 芯片分析表明,除了CUT1~CER6,还有7个KCS基因 在拟南芥的茎表皮细胞中表达上调,其中包括了 DE删JD和KCSl,但是这些基因的具体功能目 前还不清楚,需要进一步的研”. 最近,研究者们从酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中分离出了编码KCR口和ECR口的基因. 以酵母KCR序列为探针通过BLAST搜索在拟南芥基 因组中发现了2个KCR的同源基因(AtKCRJ和 AtKCR2),它们在拟南芥茎表皮中的表达量很高,并 且都定位在内质网上[2”.但是,只有AtKCR1可以使 KCR功能缺失的酵母突变体的表型恢复,表明只有 AtKCR1参与了VLCFAs的生物合成. 2004年,研究者们从拟南芥中鉴定出了一个单拷 贝的ECR基因,该基因编码一种烯酰基辅酶A.拟 南芥ECR和从拟南芥CER10突变体中克隆的CERIO 是同一个基因.对CER10突变体的研究表明,所有包 含VLCFAs的脂质,包括表皮蜡质,种子甘油三酯和鞘 酯的合成都需要CER10/ECR的参与.但是,在拟南芥 ECR功能缺失型突变体CERIO中,仍然保留了野生型 40%1~蜡质含量以及一些用于合成种子甘油三酯和鞘 酯的VLCFAs,这表明在拟南芥中或许还存在着其他 的ECR,或者有其他的酶具有和ECR相似的功能伫.. 吉庆勋等:植物表皮蜡质合成和运输途径研究进展?227? 对于FAE复合体中的最后一种酶HCD的研究目 前还不多.最近,研究者们用酿酒酵母FAE脂蛋白体 重建的方法发现一种定位在内质网上的跨膜蛋白 PHSIp具有脱水酶的活性.这个发现有望推动对 HCD酶的研究进展?.2008年,Bach等伫在拟南芥中 发现了一个编码HCD的基因PASTICCIN02,并证明 了PASTICCINO2是拟南芥表皮蜡质合成所必须的一 种酶. 1.2初级醇和蜡酯合成 由VLCFAs合成蜡质成分存在2种途径.第1种 是初级醇途径(primaryalcoholpathway),在该途径中 VLCFAs被还原成初级醇.初级醇可以在蜡质合成酶/ 甘油二酯酰基转移酶(waxsynthase/diacylglycerol acyltransferase,WS/DGAT)的催化下与饱和脂肪酸缩 合形成烷基~(alkylesters).该途径合成的蜡质成分 酰基链长度一般为偶数,产生的蜡质成分主要是c:, C:.或者是CC,:初级醇,这些初级醇通常是以自由体 的形式存在,并且可以被各种酰基化合物酯化,这些化 合物包括芳香族,短链(C),长链(C.,C..)和特长链脂 肪酸】. 植物蜡质成分中的醇是由VLCFAs前体经过还原 反应产生的.脂肪酸要还原成醇,应该首先还原成 醛.在甘蓝中的研究结果支持脂肪酸要还原成醇需要 经过连续2个还原反应,因为从甘蓝中可以分离出醛 这种脂肪酸还原成醇的过程中的中间产物口.玉米 GL5突变体的蜡质化学成分变化起初被研究者们看作 是2步还原形成醇的假说的又一证据[31】,但是随后研 究者们发现该突变体的表型变化和GL5和GL202个 基因的突变有关,但是这2个基因都还没有被克隆出 来,目前还不清楚是这2个基因中的1个或2个基因 都编码了相关的还原酶,因此玉米蜡质中的醇生物合 成途径到底是不是需要经过2步还原反应,目前尚无 定论. 有一些试验结果表明,植物中的各种酰基辅酶A 可以直接被还原成初级醇.最初,研究者们发现在眼 虫藻(Euglenagracilis)e~的酰基辅酶A可以直接被还 原成醇而不会释放出中间产物醛.随后,研究者们 又在加州希蒙得木胚芽和豌豆叶片中发现脂肪酰基还 原酶(fattyacylreductase,FAR)负责催化酰基辅酶A直 接还原成醇[].1. 在拟南芥中也存在着类似的参与初级醇合成的 FAR,研究者们在拟南芥基因组中发现了8个编码 FAR类似蛋白的基因,其中一个是CER4.拟南芥 突变体表皮蜡质成分中初级醇和蜡酯的成分明 显减少,表明CER4编码一种和醇合成相关的FAR. 研究者们已经证明CER4所编码的酶确实是一种主要 负责初级醇合成的FAR.拟南芥中的CER4可以催化 从酰基前体还原成初级醇的整个过程,所以拟南芥是 通过直接还原途径合成初级醇.. 在高等植物,哺乳动物和细菌中,酯的合成都是由 蜡质合成酶(waxsynthase,ws)催化,按照序列信息, WS可以分为3类.第1类以加州希蒙得木WS为代 表,这类WS的第1个底物可以是C.到C:的饱和和非 饱和的酰基辅酶A,第2个底物是非饱和的C.醇.在 拟南芥中有l2个与加州希蒙得木WS同源的基因序 列,但是它们的功能都没有被鉴定出来.第2类以 哺乳动物WS为代表,在植物中没有发现这类WS的同 源序列,这类WS的第1个底物主要是c.:和C,酰基辅 酶A,第2个底物是碳原子数少于20的醇.第3类以 乙酸钙不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus)WS为代 表,这类WS是一种双功能的蜡质合成酶/甘油二酯酰 基转移酶(waxsynthase/diacylglycerolacyltransferase, WS/DGAT),它们的2个底物分别是C和C酰基辅酶 A以及c到c.的醇.到目前为止,在20多种微生 物中发现了将近100个WS/DGAT同源序列,在拟南芥 基因组中也发现了10个WS/DGAT同源序列”.研究 者们推测,拟南芥中的初级醇可以在wS/DGAT的催 化下与饱和脂肪酸缩合形成烷基酯.最近,拟南芥的 1个WS/DGAT的功能被鉴定出来,它负责拟南芥茎中 表皮蜡酯的合成.这个酶的主要底物是C.酰基辅酶 A,说明那些在蜡质合成途径中非常早产生的中间产 物可以和醇一起通过酰基延伸和还原形成最终的蜡质 成分1. 1.3烷烃,二级醇和酮的合成 第2种途径是烷烃途径(alkanepathway),在该途 径中VLCFAs在脂酰辅酶还原酶(fattyacy1.CoA reductase,FAR)的作用下还原成醛,醛由醛脱羧酶 (aldehydedecarbonylase)催化进行脱羧反应生成烷 烃.烷烃由中链烷烃羟化酶(mid—chainalkane hydroxylase,MAH)催化经羟化反应后生成二级醇,二 级醇经过MAH催化生成酮. 烷烃途径主要负责合成具有奇数碳原子数的蜡质 成分.这个途径中合成的主要蜡质成分是烷烃.有证 据表明,VLCFAs前体可以用作烷烃合成的底物,这个 结论首先是从多种植物的饲喂试验中得出的,这些饲 喂试验最后都产生了各种蜡质成分包括烷烃,二级醇 和酮.随后拟南芥的分子遗传学试验进一步确定 了这个结论.在VLCFAs延伸功能缺失有关的拟南芥 ? 228?中国农学通报 CER6和CERIO突变体中,比VLCFAs更长的酰基链 化合物的数量大幅下降,并且所有奇数碳原子数的蜡 质成分(烷烃,二级醇和酮)几乎消失[36,45】.综合以上试 验结果,研究者们认为延伸反应优先于脱羰反应,因此 初级醇途径和烷烃途径需要竞争获得酰基辅酶A前 体. 虽然将VLCFAs前体转化为烷烃可以通过一步反 应完成,但是无论是从理论上或者试验数据上来看,一 个直接的脱羧反应都不可能实现从VLCFAs前体到烷 烃的转化.目前,研究者们发现,有许多拟南芥突变体 茎表皮蜡质成分中烷烃含量减少,这些突变体包括 CERJ,CER2,C职3,CER8,CERJ9和C2【4”,其中 有一部分突变体中导致突变的基因编码的很可能是烷 烃途径中催化第一步反应的酶,但是在这些突变体中, 有的基因还没有被克隆出来(CERI~CER22),有的虽 然基因已经克隆出来了,但它们所编码的蛋白的具体 功能目前还不清楚(CER1,CER2,CER3/WAX2/YRE/ FLP). 目前,有许多研究证明烷烃合成途径的中心反 应,即使碳链长度从偶数向奇数转变的反应,被认为是 酰基前体损失一个碳原子而不是增加一个碳原子[45,48】. 虽然碳原子损失假说已经被证明,但碳原子损失的具 体过程目前还不清楚.研究者们提出了很多假说,但 是目前只有一个假说得到了一定程度的验证.在这个 假说中,c—C键的断裂是由一种产生中间产物醛的脱 羰反应(损失1个CO分子)引起,因此烷烃合成途径经 常被称为脱羰途径. 研究者们发现一些拟南芥突变体蜡质成分中烷 烃和醛的含量存在着一定的相关性.其中最明显的是 拟南芥CER1和CER22突变体,这2个突变体茎表皮 蜡质中烷烃含量减少,醛的含量上升.研究者们推测 CER1和c编码可以催化醛脱羰反应的酶.但 是,在拟南芥中出现这种烷烃和醛之间的相关性,也可 能是由于醛是烷烃途径的支路产品,烷烃合成被破坏 后,合成醛的支路活性提高,从而导致醛含量的上升. 因此,仅仅根据突变体的表型还无法判断CER1和 CER22是否编码与烷烃合成相关的脱羰基酶.虽然 研究者们已经克隆出了拟南芥CER1基因,但是该基 因编码的酶的功能目前还不清楚[36,50].总之,目前还没 有足够的证据支持脱羰作用假说,因此,烷烃合成途径 是蜡质生物合成途径中了解最少的一部分. 在拟南芥叶片中,烷烃是烷烃途径的最终产物,但 是在拟南芥茎中和甘蓝叶中,烷烃通常伴随着相应的二 级醇和酮出现,这说明烷烃途径还包括其他的反应”. 最近,研究者们用反向遗传学的方法在拟南芥茎中发 现了一个与二级醇和酮合成相关的细胞色素P450依 赖性酶(CYP96A15).这种酶被称为中链烷烃羟化酶 (midchainalkanehydroxylase,MAH1),它可以参与催 化2个反应步骤,第1个反应是烷烃中间的.CH2一基团 的羟基化形成二级醇,第2步反应是二级醇进,步氧 化为酮.在以烷烃为主要中间体的反应途径中,烷 烃是否进一步氧化,取决于植物的种类和器官的类型. 2蜡质成分运输机制 在目前研究的所有植物中,催化蜡质合成前体 VLCFAs形成的酶都定位在内质网上.这说明植物从 VLCFAs的形成到最终的蜡质成分合成的整个过程都 是在细胞内的内质网中完成,最终合成的蜡质产物必 须从细胞内质网中运输到质膜再穿过细胞壁运输到植 物表皮. 2.1蜡质成分从内质网运输到质膜 目前,研究者提出了2个关于蜡质成分从内质网 到质膜运输机制的假说.第1个假说是泡蓑分泌和 高尔基体介导的运输机制,即蜡质通过泡蓑从内质网 中运输到高尔基体,然后再运输到原生质膜;第2个 是蜡质成分通过内质网和质膜接触部位直接运输的 途径19,53】. 目前有一些实验结果支持第1种假说.比如,高粱 和水稻的表皮细胞中都含有暗染色的泡蓑.但是, 对水稻进行的细胞化学试验表明这些被测试的嗜锇颗 粒对角质和蜡质合成的候选蛋白的反应呈阴性.因 此,泡蓑在蜡质成分从内质网到质膜中的运输中所起 的作用,目前还不清楚. 第2个假说认为蜡质成分可以不通过蓑泡直接 从内质网和质膜接触的地方运输,这种接触指的是2 种膜靠的非常近,而不是互相融为一体.目前,研究 者们已经发现了植物细胞中内质网和质膜的接触部 位,在这个部位内质网和质膜非常接近,距离在 10ILrn之内,这个部位被称作质膜连接膜 (PM.associatedmembranes.PAMs).目前,研究者们已 经鉴定了PAMs的形态结构,并且分析了PAMs的化学 组成,结果表明这个区域富含脂质生物合成蛋白.研 究者们推测,这一区域富含脂质载体蛋白,从而行使脂 质转运的功能. 2.2蜡质成分向质膜外转运的机制 蜡质成分运输到质膜之后,必须从脂质双分子层 释放出来进入质外体环境中.最近,研究者们在拟南 芥茎中发现了2个与上述蜡质运输过程相关的转运蛋 白CER5和WBC11.这2个蛋白是ATP结合盒式 吉庆勋等:植物表皮蜡质合成和运输途径研究进展?229? (ATPbindingcassette,ABC)转运蛋白,属于ABCG/ WBC亚家族.CER5和WBC11和植物表皮蜡质运输 有关,因为拟南芥CER5和WBC11突变体表皮蜡质含 量减少,细胞内蜡质含量增加”. 虽然从CER5~IWBCll突变体的表型来看,质膜 上蜡质的运输需要CER5和WBC11这2个ABC转运 蛋白的参与,但是现在还没有直接的证据证明这2个 转运蛋白的底物是蜡质分子.不过,CER5和WBC11 的蛋白序列和已知的人类ABCG亚家族脂质转运蛋 白很相似,因此,CER5和WBC1l转运的底物很可能 是蜡质分子. 拟南芥CERSWBCll双突变体茎上的蜡质成分 损失量和单突变体相似,说明这2个转运蛋白存在于 同一途径或同一个复合体中.属于WBC亚家族的 ABC转运蛋白是一种半转运蛋白,它需要通过二聚化 作用形成完整的转运蛋白来行使功能.因此有研究者 认为CER5和WBC11可以形成异质二聚体,从而将蜡 质成分运输出表皮细胞质膜.但是,拟南芥 CER船C双突变体茎上仍然有一些蜡质成分积 累,说明还有其他的转运蛋白参与了蜡质成分跨膜运 输的过程. 2.3蜡质成分穿越细胞壁到表皮角质层的运输机制 一 旦蜡质成分从细胞质膜中转运出来之后,就必 须穿过亲水的细胞壁到达表皮细胞角质层.脂转运蛋 白(1ipidtransferproteins,LTPs)在植物表皮中大量表 达,可以分泌到质外体,体积很小,可以穿过细胞壁上 的孔隙,具有可以结合长链脂肪酸的疏水袋,因此,研 究者们认为LTPs可能在蜡质成分的跨壁转运起主要 作用.但是目前还没有直接的试验证据支持这一 假说.这一方面是因为在植物体内验证LTPs的功能 很困难,另一方面是因为编码LTPs的候选基因太多, 在拟南芥基因组中就有72个可能编码LTPs的候选基 因.最近,研究者们发现拟南芥仃l尸G突变体表皮蜡质 成分中的烷烃含量大幅下降,并且从该突变体中鉴定 出的LTPG基因编码一种糖基化磷脂酰肌醇结合型的 LTP蛋白LTPG,目前,有研究表明LTPG定位在质膜 上,具有结合脂质分子的能力,是脂质转运所必需的一 种蛋白.但是,LTPG是否具有穿越细胞壁将脂质运 输到表皮的功能尚有待验证. 3蜡质生物合成调节机制 目前有研究表明,植物表皮蜡质的合成会受到植 物生长发育和环境因子的影响.例如,在快速生长的拟 南芥茎上,茎表皮蜡质含量会随着茎表面积的增加而增 加.在不同的发育阶段,拟南芥CER2;~ICER6基因 的表达水平也不同.其中,CER6还可以被光照和渗 透胁迫等可以促进蜡质积累的环境因子诱导表达口. 虽然已经有确凿的证据表明植物蜡质合成可以在转录 水平上被调控,但是调控植物蜡质合成的转录因子目 前还没有被完全鉴定出来. 拟南芥W1N1/SHN1基因是一种与表皮蜡质积累 有关的转录因子.1.在WIN1超量表达时,拟南芥叶 和茎中蜡质含量都有很大程度的增加,同时还到 蜡质合成相关基因如KCS1等的表达水平也有所增 强,这表明W1N1/SHN1是蜡质合成基因转录激活因 子.Kannangara等的研究表明虽然M/SHN1转 录因子可以激活角质和蜡质生物合成基因.但是, WIN1/SHNI很可能不是直接激活这些基因,而是通过 调控其他转录因子的表达来间接激活角质和蜡质生物 合成基因. Raffaele等卅利用微阵列技术和遗传学的方法,在 拟南芥中发现MYB30基因参与了脂质生物合成途径 以及从脂肪酸到超长链脂肪酸的延伸途径的某一特定 步骤.瞬时表达实验证实,MYB30是一些基因的转录 激活因子,这些基因编码形成脂肪酸延伸酶复合物的 4种酶. 据报道拟南芥突变体CER2的茎比野生型亮绿, 说明突变体的表皮蜡质晶体比野生型含量低,主要是 醛,烷烃,仲醇和酮的减少,相反,脂肪酸的量却增加 了,而伯醇的含量却几乎没有变化,另外,这些成分的 链长都比野生型的要少2~4个碳原子,因此认为CER2 的突变作用阻断了超长链脂肪酸延伸作用的最后2个 步骤.这种阻断使所有的脂肪酸及其衍生物的链长变 短了.CER2蛋白与参与脂肪酸生物合成的任何酶都 没有相似性,因此认为CER2基因产物可能是延伸酶 的调节因子】. Kamigaki等p研究表明,PEX1O(过氧化物酶体生 物起源因子)基因在维护内质网的形态和调控RJ, CER4,和SHN1基因的表达上起着至关重要的 作用,因此它可能编码一种调控表皮蜡质的生物合成 的转录因子. 最近在拟南芥中又发现一种新的控制表皮蜡质积 累的调节途径,这条途径中的关键成分是CER7核 糖核酸酶,CER7是外来体的核心亚基.外来体是一 种在进化上非常保守的蛋白复合体,在RNA的加二亡和 降解过程中起到3’.5’外切核糖核酸酶的作用.除了 行使普通的外来体功能之外,CER7还具有控制表皮 蜡质合成的特殊功能.在表皮细胞中CER7核糖核酸 酶的作用是降解编码蜡质合成关键基因CER3转录抑 ? 230?中圄农学c亟报 制因子的mRNA,从而使表皮细胞中的CER3蛋白正 常表达,最终促进蜡质成分合成.目前,需要进一步进 行的工作是鉴定CER7核糖核酸酶的目标mRNA和 CER7调控机制的具体机制. 4问题与展望 植物表皮蜡质的生物合成和转运途径是一个复 杂的,由各种酶和转运蛋白组成的网络.目前,采用分 子遗传学的方法已经成功的鉴定了该网络中许多酶和 转运蛋白的功能,确定了内质网是细胞内蜡质成分合 成的主要部位,并且鉴定出了和蜡质成分穿越质膜向 质外体运输相关的蛋白.现在,需要解决的主要问题 是植物蜡质成分中烷烃的合成机理,蜡质成分从内质 网向质膜运输的机制,ABCG蛋白调节的蜡质运输机 制,蜡质成分穿越细胞壁运输到植物表皮的机制和植 物生长发育及外界环境因子对表皮蜡质合成的影响. 随着分子生物学和遗传学的不断发展,各种新的 研究方法不断出现,现在RNA干涉,酵母双杂交,基因 芯片等新技术已经广泛用于植物蜡质合成和转运途径 的研究,为进一步阐明植物蜡质合成和转运机理打下 了坚实的基础. 【1] 【2] 【3】 【4】 【5】 [6】 【7] [8】 参考文献 Kochk.EnsikatHJ.111ehydrophobiccoatingsofplantsurfaces: Epicuticularwaxcrystalsandtheirmorphologies,crystallinityand molecularself-assembly[J].Micron,2008,39:759—772. 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