劉蒼偉，蘇明壘，王玉榮，趙榮軍

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091)

木質(zhì)纖維材料是重要的生物質(zhì)能源和制漿造紙?jiān)?。隨著化石能源物質(zhì)枯竭以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對木質(zhì)纖維材料的需求日益增加，定向培育優(yōu)質(zhì)速生人工林成為保障木質(zhì)纖維材料供應(yīng)的重要途徑之一。木質(zhì)纖維材料主要來源于木材細(xì)胞壁，由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種高分子聚合物組成[1-3]。其中纖維素是構(gòu)成細(xì)胞壁的基本骨架，木質(zhì)素與半纖維素作為基質(zhì)，沉積在纖維素框架內(nèi)[4]。纖維素和半纖維素是木質(zhì)纖維材料作為生物質(zhì)能源和制漿造紙?jiān)系闹饕贸煞?，其相對含量高低和提取工藝的難易，是評價(jià)木質(zhì)纖維材料優(yōu)劣的主要指標(biāo)[2,5]，但木質(zhì)素的存在影響了木質(zhì)纖維材料可發(fā)酵糖的提取，降低了紙張質(zhì)量，阻礙了木質(zhì)纖維材料的利用。因此，在分子水平上調(diào)控木材細(xì)胞壁木質(zhì)素的含量和結(jié)構(gòu)，提高木質(zhì)纖維材料品質(zhì)，已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[2,5-7]。

通過調(diào)控木質(zhì)素生物合成基因使木質(zhì)素合成途徑受阻，降低木質(zhì)素含量或改變其結(jié)構(gòu)從而提高纖維素分解和糖轉(zhuǎn)化效率，對于木質(zhì)纖維材料利用具有重大意義[2,7]。但從遺傳學(xué)與生物學(xué)角度來講，植物都有自我調(diào)節(jié)機(jī)制，改良植物體的單個(gè)目標(biāo)性狀，會對其他性狀產(chǎn)生影響，如改變細(xì)胞壁木質(zhì)素的含量，會引起纖維素代償性增加[8]。目前人們也認(rèn)識到，含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等化學(xué)組分的細(xì)胞壁，不僅是一個(gè)機(jī)械支持和保護(hù)原生質(zhì)體的結(jié)構(gòu)，而且是一個(gè)能進(jìn)行代謝活動(dòng)的結(jié)構(gòu)，它參與著細(xì)胞的生長、分化、識別、抗病等過程[9-10]。因此細(xì)胞壁各組分的合成、組裝與沉積及其理化性質(zhì)決定著細(xì)胞壁相應(yīng)的功能[11]。因此本文主要論述木質(zhì)素調(diào)控基因活性改變對轉(zhuǎn)基因木材細(xì)胞壁化學(xué)組分及其微觀結(jié)構(gòu)的影響，并對近年的研究前景進(jìn)行展望，旨在為轉(zhuǎn)基因木材木質(zhì)素含量降低后纖維素分解與糖轉(zhuǎn)化性能的改變機(jī)制，以及細(xì)胞壁的綜合利用提供科學(xué)依據(jù)，對優(yōu)質(zhì)速生人工林的選育和培育提供理論指導(dǎo)。

1 木質(zhì)素合成途徑及基因調(diào)控過程

目前廣泛認(rèn)同，木質(zhì)素生物合成過程由苯丙氨酸起始，經(jīng)過一系列羥基化、甲基化、連接和還原反應(yīng)生成木質(zhì)素單體，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到木質(zhì)化沉積位點(diǎn)，最終這些結(jié)構(gòu)單元在細(xì)胞壁中羥化聚合成木質(zhì)素。具體而言，木質(zhì)素的合成途徑包含3步，即莽草酸途徑、苯丙烷途徑和特異合成途徑。莽草酸途徑是將植物光合作用的同化產(chǎn)物合成芳香氨基苯氨酸、酪氨酸和色氨酸等；苯丙烷途徑是將苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為羥基肉桂酸及其輔酶A酯類；特異合成途徑是指完成木質(zhì)素單體的合成，即將羥基肉桂酰輔酶A酯類進(jìn)一步合成為木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元及其大分子聚合物[12-13]。

木質(zhì)素合成途徑的揭示為后期木質(zhì)素基因工程的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，且在其苯丙烷途徑和特異合成途徑上關(guān)鍵酶的調(diào)控基因也已被成功克隆。苯丙烷途徑主要包含苯丙氨酸氨解酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)、肉桂酸4-羥基裂解酶(cinnamic acid 4-hydroxylase,C4H)和4-肉桂酸CoA連接酶(4-coumarate:CoA ligase,4CL)3類酶。它們位于木質(zhì)素合成途徑上游，決定著植物體內(nèi)碳元素的流向，其活性將直接影響植物體內(nèi)木質(zhì)素的含量，因此通過調(diào)控這些關(guān)鍵酶基因的表達(dá)能夠成功調(diào)控目標(biāo)植物中木質(zhì)素的含量。特異合成途徑上的肉桂酰CoA還原酶(cinnamoy1 CoA reductase,CCR)和肉桂醇脫氫酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase,CAD)屬于還原調(diào)控酶，主要調(diào)控木質(zhì)素單體的合成。學(xué)者一般認(rèn)為，這2種酶對木質(zhì)素總含量的影響是通過改變木質(zhì)素單體的含量來實(shí)現(xiàn)的。此外對C3和C5位置上發(fā)生的羥基化和甲基化反應(yīng)起催化作用的香豆酸3-羥化酶(coumarate acid 3-hydroxylase,C3H)、咖啡酸/5-羥基阿魏酰-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(bispecific cafeic acid/5-hydroxyferulic acid O-methyltransferase,COMT)、阿魏酸5-脫氫酶(ferulic acid 5-hydroxylase,F5H)以及咖啡酰CoA-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(caffeoyl-CoA O-methytransferase,CCoAOMT)等活性的改變，同樣對林木體內(nèi)的木質(zhì)素含量有重要的調(diào)控作用[14-16]。

2 基因調(diào)控對細(xì)胞壁組分含量及其結(jié)構(gòu)變化的影響

2.1 基因調(diào)控對木質(zhì)素含量的影響

2.1.1 不同合成途徑的影響 PAL是苯丙烷途徑上的第1個(gè)調(diào)控酶，抑制其表達(dá)活性能明顯降低木質(zhì)素含量，且伴隨植物生長特性異常變化。C4H與PAL類似，不屬于木質(zhì)素單體合成的直接調(diào)控酶，主要調(diào)控非木質(zhì)素酚類物質(zhì)的合成[17]，其活性降低時(shí)木質(zhì)素含量明顯降低。Bjurhager等[18]通過抑制楊樹(Populus)中C4H的活性，發(fā)現(xiàn)Klason木質(zhì)素含量下降了30%。4CL屬于連接反應(yīng)酶，以肉桂酸為底物催化生成相應(yīng)的CoA酯，抑制了楊樹中4CL活性后，Klason木質(zhì)素含量同樣下降了40%～45%[19-22]。

C3H屬于細(xì)胞色素P450酶，調(diào)控單體碳源流向，抑制楊樹中C3H活性后，Klsaon木質(zhì)素含量下降幅度可達(dá)56%，而且通過組織化學(xué)染色和木質(zhì)素對紫外光熒光特性的定性觀察，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因楊樹木質(zhì)素含量同樣存在明顯差異[23-24]。在COMT與CCoAOMT基因表達(dá)被抑制的轉(zhuǎn)基因林木植物中，木質(zhì)素含量變化不明顯；而在煙草(Nicotiana)中抑制其表達(dá)時(shí)，木質(zhì)素含量顯著降低[5,25-26]。Wang等[27]研究了調(diào)控糖基轉(zhuǎn)移酶對轉(zhuǎn)基因楊樹的影響發(fā)現(xiàn)，PtGT1基因超表達(dá)后Klason木質(zhì)素含量明顯增加，Wiesner和M?ule染色程度也強(qiáng)于對照組。

在楊樹中抑制CCR基因的表達(dá)，木質(zhì)素含量下降可達(dá)50%[28]；而轉(zhuǎn)CCR桉樹(Eucalyptus)中木質(zhì)素含量只下降了8%[29]，這可能與木材種類以及基因活性下調(diào)量有關(guān)。在楊樹、煙草和苜蓿(Meguminosae)中抑制CAD活性對木質(zhì)素總體含量并無明顯影響，但莖稈間苯三酚染色有明顯不同[5,30-32]。

2.1.2 不同調(diào)控方式的影響 采用不同調(diào)控方式對轉(zhuǎn)基因木材木質(zhì)素含量的影響也具有差異性。Tian等[33]通過正義、反義和RNAi 3種方式調(diào)控轉(zhuǎn)基因楊樹中4CL活性，發(fā)現(xiàn)正義調(diào)控4CL活性后木質(zhì)素含量升高18.52%，而反義調(diào)控后降低28.52%，RNAi調(diào)控也使木質(zhì)素含量有所下降，并且木質(zhì)素含量的變化與4CL活性呈正相關(guān)，說明4CL基因能夠成功調(diào)控木質(zhì)素合成。用不同方式抑制楊樹中COMT活性后發(fā)現(xiàn)，采用正義RNA抑制COMT活性能夠降低轉(zhuǎn)基因楊樹中木質(zhì)素的含量，而其他調(diào)控方式對木質(zhì)素總含量無明顯影響[5]。調(diào)控CCoAOMT基因過表達(dá)能夠增加木質(zhì)素的含量；而利用反義RNA技術(shù)調(diào)控CCoAOMT基因，能夠有效降低楊木中Klason木質(zhì)素的含量，提高楊木的造紙性能[13]。

2.2 基因調(diào)控對木質(zhì)素組分結(jié)構(gòu)變化的影響

2.2.1 木質(zhì)素組分結(jié)構(gòu)種類 木質(zhì)素主要由甲基化聚合程度不同的單體聚合成的紫丁香基丙烷(S)、愈創(chuàng)木基丙烷(G)、對羥苯基丙烷(H)3種結(jié)構(gòu)單元組成，在不同植物體內(nèi)含量和成分不同。如針葉樹主要為愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元，其他結(jié)構(gòu)單元含量較少；闊葉樹和草本植物以紫丁香基結(jié)構(gòu)單元和愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元為主，含少量對羥苯基結(jié)構(gòu)單元[5,12,34-35]。各結(jié)構(gòu)單元間主要通過C—C鍵和C—O鍵聯(lián)接。研究發(fā)現(xiàn)，與G單元木質(zhì)素相比，無C5位置S單元的C—C鍵更易除去，因此當(dāng)S單元相對含量增加或S/G升高時(shí)，木質(zhì)素易于分解，從而有助于木質(zhì)纖維材料的利用[36]。

2.2.2 不同調(diào)控途徑的影響 學(xué)者還研究了轉(zhuǎn)基因木材木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)改變某些木質(zhì)素合成酶基因表達(dá)時(shí)也能改變其組成結(jié)構(gòu)，如位于苯丙烷途徑上的第1個(gè)限速酶PAL，抑制其活性能夠明顯降低木質(zhì)素含量,同時(shí)使木質(zhì)素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[5]，而調(diào)控C4H、4CL等酶活性能明顯降低木質(zhì)素總含量，但對楊樹中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)無明顯影響[18,22]。

位于特異合成途徑上游的C3H、COMT、CCoAOMT和F5H等酶對木質(zhì)素單體的合成有重要調(diào)控作用。C3H被認(rèn)為是調(diào)控S和G單元合成的關(guān)鍵酶，抑制其在楊樹中的活性后，木質(zhì)素總含量下降，但H單元相對含量增加，S單元含量不變，而G單元含量下降，致使S/G增大[23,36]。學(xué)者通過組織化學(xué)染色差異進(jìn)一步驗(yàn)證了S、G單體含量和微區(qū)分布上的差異[37]。抑制COMT基因表達(dá)對木質(zhì)素總含量無明顯影響，但能明顯改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為S單元含量下降，G單元含量增加，使S/G降低[25,38]。CCoAOMT酶對S單元和G單元合成有調(diào)控作用，反義調(diào)控楊樹中CCoAOMT活性后發(fā)現(xiàn)，由于G單元下降幅度相對較大從而使S/G升高，使楊木更適宜制漿造紙[39]。 F5H則被認(rèn)為是調(diào)控S單元木質(zhì)素合成的關(guān)鍵調(diào)控酶，其活性與S單元木質(zhì)素含量呈正相關(guān)。在楊樹中超表達(dá)F5H基因后，木質(zhì)素總量下降而S單元含量增加[40]，木質(zhì)素支鏈減少更有利于分解[41]。相反，抑制F5H基因表達(dá)后，S單元木質(zhì)素含量明顯下降，進(jìn)一步證明F5H能夠調(diào)控S單元木質(zhì)素的合成[42]。

調(diào)控特異合成途徑上的CCR和CAD活性，同樣能影響木質(zhì)素單體的合成。CCR主要調(diào)控S單元木質(zhì)素的合成，在楊樹中抑制其活性能夠明顯降低S單元木質(zhì)素含量[28]。CAD則對S和G單體的合成有影響，Baucher等[43]通過反義抑制轉(zhuǎn)基因苜蓿中的CAD，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素總量未發(fā)生變化，但是S基單體含量降低，S/G降低。但在轉(zhuǎn)基因楊樹中，通過反義抑制CAD活性發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素總量和結(jié)構(gòu)、組分都未發(fā)生明顯變化，而木質(zhì)素中的醛類物質(zhì)含量有所增加[30]，表明CAD在不同植物體內(nèi)的調(diào)控方式可能存在差異。

2.2.3 多基因調(diào)控的影響 研究人員發(fā)現(xiàn)，S和G單元木質(zhì)素的調(diào)控是相對獨(dú)立的，利用特定基因調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)針對性調(diào)控S/G[5]。因此，許多學(xué)者采用雙基因平行調(diào)控S和G單元木質(zhì)素含量，來升高S/G，從而優(yōu)化木質(zhì)纖維材料的利用。如Franke等[40]通過C4H-F5H雙基因調(diào)控楊樹和煙草中的木質(zhì)素含量發(fā)現(xiàn)，煙草中G單元木質(zhì)素含量明顯降低，S單元木質(zhì)素含量明顯升高，S/G升高；楊樹中G單元和S單元木質(zhì)素含量均明顯降低，其中G單元木質(zhì)素含量降幅更大，最終導(dǎo)致S/G升高。通過多基因調(diào)控在降低木質(zhì)素含量的同時(shí)，對木質(zhì)素組分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，例如在楊樹中抑制4CL表達(dá)的同時(shí)增加CALD5H活性后發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量下降52%，S單元木質(zhì)素含量增加，使S/G上升64%，有利于木質(zhì)纖維材料的利用[44]。

2.3 基因調(diào)控對細(xì)胞壁其他化學(xué)組分的影響

2.3.1 對細(xì)胞壁其他化學(xué)組分含量的影響 木材細(xì)胞壁重要組分中除了木質(zhì)素外，還有纖維素和半纖維素。研究表明，部分轉(zhuǎn)基因植物中木質(zhì)素含量降低時(shí)，纖維素和半纖維素等物質(zhì)含量會代償性增加，這有助于提高木質(zhì)纖維材料的利用率。如Bjurhager等[18]發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量降低的同時(shí)纖維素和半纖維素含量增加。Jouanin等[25]通過抑制COMT活性來調(diào)控楊木木質(zhì)素的合成，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素總量降低17%，但C5位置木質(zhì)素相對含量增加；纖維素含量升高，有利于楊樹在造紙工業(yè)中的利用；但C5位置木質(zhì)素易與其他單體結(jié)合為較穩(wěn)定C—C鍵而不利于木質(zhì)素去除，因此雖然轉(zhuǎn)COMT基因楊樹C5位置木質(zhì)素含量增加，但并未提高可發(fā)酵糖產(chǎn)量。人們在柳枝稷(Panicum)中卻發(fā)現(xiàn)，COMT活性下降后生物酒精產(chǎn)量增加，糖轉(zhuǎn)化率提高[45]，進(jìn)一步說明抑制不同植物相同基因表達(dá)后對植物化學(xué)成分的影響不同。Doorsselaere等[46]在轉(zhuǎn)基因楊樹中發(fā)現(xiàn)，COMT活性下降后纖維素含量增加。在楊樹中抑制CCR活性后半纖維素含量降低而纖維素含量增加，且5年內(nèi)基因下調(diào)性狀穩(wěn)定[5]。

木材細(xì)胞壁層含有多種化學(xué)成分共同維持植物機(jī)體正常新陳代謝，當(dāng)合成木質(zhì)素調(diào)控基因表達(dá)發(fā)生變化時(shí)，為了維持植物機(jī)體正常的生長發(fā)育，其他微量化學(xué)成分也會發(fā)生相應(yīng)的變化，以保證植物體正常的生理代謝。Ziebell等[47]發(fā)現(xiàn)，在C3H和C4H活性下調(diào)的桉樹中，NaOH抽提物含量明顯升高，表明木質(zhì)素等主要化學(xué)成分缺失時(shí)微量化學(xué)組成成分會補(bǔ)償性增加，保證了植物機(jī)體的生長發(fā)育。在CAD基因抑制調(diào)控的4年生楊樹中發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)含量也有所降低[5]。對轉(zhuǎn)4CL基因楊樹的研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素合成途徑受阻后，植物體內(nèi)的生長素含量明顯升高，以維持植物體的正常生理代謝[33]，抽提物含量升高2倍[20-21,48]。在雜交楊中抑制C3H活性后，木質(zhì)素含量降低，淀粉含量增加，促進(jìn)了黃酮類化合物的合成，導(dǎo)致葉片花青素積累[23]。在RNAi轉(zhuǎn)C3H基因玉米植物中同樣發(fā)現(xiàn)，類黃酮和花青素等微量化學(xué)成分含量有一定的變化[49]。

2.3.2 對細(xì)胞壁其他組分結(jié)構(gòu)的影響 研究表明，基因調(diào)控不但對細(xì)胞壁木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)變化起作用，對半纖維素的組成結(jié)構(gòu)也有一定影響。Coleman等[23]發(fā)現(xiàn)，抑制雜交楊的C3H調(diào)控基因表達(dá)，木質(zhì)素含量降低，葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等單糖組分含量也發(fā)生一定變化，表明C3H活性下調(diào)會引起植物化學(xué)成分的代償性變化。Min等[50]發(fā)現(xiàn)，抑制4CL基因的表達(dá)，木質(zhì)素含量大幅度降低，葡聚糖含量明顯高于野生型，木聚糖和其他小分子糖含量也略有增加。除此之外，基因調(diào)控對半纖維素的分子量也有一定影響，彭霄鵬[24]在研究轉(zhuǎn)C3H基因楊樹中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因楊樹的半纖維素分子量比野生型高，且轉(zhuǎn)基因楊樹的DMSO和堿性半纖維素分散系數(shù)更均一。Leplé 等[28]發(fā)現(xiàn)，通過下調(diào)CCR活性可以降低木質(zhì)素的含量，提高纖維素的含量，與此同時(shí)半纖維素含量降低且結(jié)構(gòu)組分發(fā)生了變化，其中葡萄糖、木糖、鼠李糖、甘露糖的含量均明顯降低，證明基因調(diào)控木質(zhì)素含量變化的同時(shí)，會引起其他成分的代償性變化。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在楊樹和擬南芥(Arabidopsis)中調(diào)控RabG3bCA、UDP和2-PE等其他非木質(zhì)素合成調(diào)控基因，對半纖維結(jié)構(gòu)也有一定的影響，且引起葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖和木聚糖等單糖含量的變化，對細(xì)胞壁纖維素成分的糖轉(zhuǎn)化性能也有一定影響[51-53]。

3 基因調(diào)控對木材組織細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的影響

3.1 對木材顯微結(jié)構(gòu)的影響

木質(zhì)素是木材細(xì)胞壁的基質(zhì)成分之一，對維持細(xì)胞形態(tài)及提供力學(xué)支撐有重要作用[35]。對轉(zhuǎn)基因林木的研究發(fā)現(xiàn)，基因調(diào)控在改變細(xì)胞壁木質(zhì)素含量及結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對其組織細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)也有一定影響。如隨著木質(zhì)素含量下降，轉(zhuǎn)C3H基因楊樹中韌皮纖維細(xì)胞數(shù)減少，導(dǎo)管尺寸變小但數(shù)目增多，木質(zhì)部細(xì)胞層數(shù)增多[23-24,54]；抑制楊樹中CCR的活性，同樣發(fā)現(xiàn)纖維細(xì)胞壁呈現(xiàn)出連續(xù)的同心層或組織細(xì)胞排列雜亂無章[28]。導(dǎo)管尺寸和數(shù)目的變化，可能與轉(zhuǎn)基因林木體內(nèi)水分運(yùn)輸有關(guān)，木質(zhì)素的疏水性是保證水分及營養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹匾阅?，木質(zhì)素含量及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)必將對植物體內(nèi)的水分運(yùn)輸產(chǎn)生影響，在轉(zhuǎn)IAA合成調(diào)控基因和轉(zhuǎn)4CL楊樹中發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)部導(dǎo)管尺寸下降而數(shù)目增多[55-56]；Schume等[57]研究了地下水分對雜交楊木顯微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)低水分運(yùn)輸可引起導(dǎo)管尺寸降低和數(shù)目的增加。在轉(zhuǎn)C3H基因楊樹中發(fā)現(xiàn)，根系側(cè)根數(shù)目增加可保證植物體內(nèi)的水分運(yùn)輸[24]，進(jìn)一步說明基因調(diào)控影響了轉(zhuǎn)基因木材的顯微結(jié)構(gòu)，也說明楊樹能夠在一定程度上進(jìn)行自我調(diào)控以保證其正常生長發(fā)育。

前人研究結(jié)果表明，基因活性調(diào)控對煙草、擬南芥、玉米(Zea)和苜蓿等草本轉(zhuǎn)基因植物顯微結(jié)構(gòu)也有重要影響，但不同基因?qū)Σ煌参锏挠绊懹胁町?。如抑制C3H調(diào)控基因的表達(dá)，可導(dǎo)致玉米植株莖稈上維管束的尺寸降低[58]；在擬南芥中，C3H調(diào)控基因的表達(dá)量則與莖稈次生壁壁厚成正比關(guān)系[59]。苜蓿中莽草酸/奎寧酸羥基肉桂酰轉(zhuǎn)移酶(shikimate/quinate hydroxycinnamoyl transferase，HCT)調(diào)控基因沉默導(dǎo)致維管束結(jié)構(gòu)受損，且細(xì)胞抗性降低[60]。抑制亞麻(Linum)CCoAOMT調(diào)控基因表達(dá)，導(dǎo)致木質(zhì)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，細(xì)胞壁變薄，出現(xiàn)不規(guī)則的木質(zhì)部顯性表達(dá)[61]。轉(zhuǎn)CAD調(diào)控基因煙草中莖干細(xì)胞壁變薄，韌皮部和木質(zhì)部纖維增長，導(dǎo)管分子密度降低，次生木質(zhì)部減少[62]。抑制擬南芥和煙草中CCR活性后，纖維和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)松散，微纖絲排列雜亂和細(xì)胞壁變薄[63-64]。

3.2 對木材細(xì)胞壁層超微結(jié)構(gòu)的影響

作為木材細(xì)胞壁層的重要組成成分，木質(zhì)素含量或結(jié)構(gòu)變化對組織細(xì)胞壁層的形成均有一定影響，但由于不同基因調(diào)控對木質(zhì)素等主要化學(xué)成分影響的差異性，因此對細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)的影響也不同。Bjurhager等[18]對轉(zhuǎn)C4H基因楊樹的研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量降低對微纖絲的結(jié)晶度無明顯影響，但微纖絲排列較對照組稀松。在轉(zhuǎn)4CL基因楊樹中，木質(zhì)素含量下降45%，組織細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)與對照組相似[22]，表明不同調(diào)控基因在轉(zhuǎn)基因林木植株中表現(xiàn)有所差異。木質(zhì)素含量明顯下降的轉(zhuǎn)CCR基因楊樹與對照組楊樹相比，組織細(xì)胞壁層排列不整齊,且次生壁各壁層區(qū)分不明顯；對照組在S2層內(nèi)側(cè)有大量S單元木質(zhì)素沉積，而外側(cè)較少，表明木質(zhì)素合成主要發(fā)生在次生壁S2層形成時(shí)；同時(shí)轉(zhuǎn)基因楊木S單元在各壁層微區(qū)分布含量明顯較稀疏且分布均勻；在細(xì)胞壁層原位揭示了木質(zhì)素含量變化對組織細(xì)胞的影響[28]。

研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量和結(jié)構(gòu)變化對其組織細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)有重要影響。Chabannes等[65]系統(tǒng)研究了CCR、CAD或CCR×CAD調(diào)控基因抑制表達(dá)的轉(zhuǎn)基因煙草中，木質(zhì)素單體在細(xì)胞壁層的沉積規(guī)律及以上基因?qū)?xì)胞壁層超微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)CAD和CCR×CAD調(diào)控基因抑制表達(dá)對木質(zhì)部組織細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)影響不明顯，而CCR活性下調(diào)后對纖維次生壁S2層排列有明顯影響，但對S1層無影響；說明木質(zhì)素的合成主要發(fā)生于次生壁加厚的過程中，改變木質(zhì)素含量或結(jié)構(gòu)主要對次生壁合成時(shí)具有重要影響作用；此外還發(fā)現(xiàn)，G、S單元木質(zhì)素在組織細(xì)胞各壁層的沉積規(guī)律也發(fā)生了相應(yīng)的變化。Fornalé等[49]發(fā)現(xiàn)，CAD活性下調(diào)后的轉(zhuǎn)基因玉米壁層結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生明顯變化，導(dǎo)管細(xì)胞壁中S單元木質(zhì)素含量增多，纖維細(xì)胞壁的S單元含量減少、G單元含量增加，表明基因調(diào)控對木質(zhì)素微區(qū)分布含量變化有重要調(diào)控作用，而其對組織細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)的影響可能與其下調(diào)量或其他化學(xué)成分含量變化有關(guān)。

4 展 望

綜上所述，木質(zhì)素基因活性的改變能夠有效調(diào)控木材細(xì)胞壁木質(zhì)素含量和結(jié)構(gòu)，對木材細(xì)胞壁其他化學(xué)成分也有一定影響，同時(shí)木質(zhì)素基因活性改變后木材及其他轉(zhuǎn)基因植物的顯微結(jié)構(gòu)也存在差異。但由于不同植物間具有生物差異性且基因調(diào)控作用不同，導(dǎo)致基因調(diào)控對植物體的影響具有多樣性，此外基因調(diào)控方式對基因調(diào)控結(jié)果也有一定影響，因此研究轉(zhuǎn)基因木材時(shí)要針對特定目標(biāo)林木和基因及調(diào)控方式進(jìn)行分析。結(jié)合前人對轉(zhuǎn)基因木材的研究現(xiàn)狀和趨勢，發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)方面亟待研究：(1)闡明木質(zhì)素調(diào)控基因?qū)δ举|(zhì)素、纖維素等多種化學(xué)成分微區(qū)含量分布變化的影響機(jī)制；(2)闡明木質(zhì)素調(diào)控基因活性改變對纖維素及半纖維結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，揭示其對纖維素分解及糖轉(zhuǎn)化性能提升的影響機(jī)制；(3)系統(tǒng)揭示木質(zhì)素基因表達(dá)下調(diào)量與木材顯微結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁層超微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制，以便選育優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)基因木材資源；(4)從縱向不同發(fā)育角度系統(tǒng)揭示轉(zhuǎn)基因木材細(xì)胞壁化學(xué)組分及解剖結(jié)構(gòu)的生長發(fā)育規(guī)律。

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