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(jī)械組織構(gòu)成，是植物各器官間物質(zhì)能量運(yùn)輸?shù)幕就ǖ?，并在維持植物形態(tài)方面起支撐作用。維管組織使植物體內(nèi)的水分、有機(jī)養(yǎng)料和礦物質(zhì)可以快速運(yùn)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(jìn)化進(jìn)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(jī)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(xì)胞以及木纖維3部分組成，其中管狀分子和木纖維細(xì)胞均會(huì)經(jīng)歷次生細(xì)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(fù)壓并提高莖的機(jī)械強(qiáng)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(huì)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(xì)胞壁加厚的研究既有利于增進(jìn)對植物生長發(fā)育及進(jìn)化理論的認(rèn)識(shí)，也可從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，通過雜交等遺傳學(xué)手段培育具更高利用價(jià)值的植物新品種。

隨著植物生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，木質(zhì)部細(xì)胞也逐漸發(fā)生特化從而形成導(dǎo)管、管胞、木薄壁細(xì)胞、木纖維和木射線，不同類型細(xì)胞會(huì)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(xì)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(xì)胞組成，木薄壁細(xì)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(xì)胞加厚的分子機(jī)制的研究是近年來植物學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題，諸多研究表明植物次生細(xì)胞壁加厚是復(fù)雜而有序的過程，受多個(gè)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(xì)胞壁組分的合成中，逐級(jí)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(jìn)一步豐富了植物木質(zhì)部次生細(xì)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(jìn)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(jí)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(jī)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(xì)胞分化及組成

木質(zhì)部承擔(dān)著植物體水分和無機(jī)鹽運(yùn)輸及機(jī)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(shí)，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(xì)胞。初生木質(zhì)部隨著細(xì)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(xì)胞組成，原生木質(zhì)部分化后形成由管狀分子、薄壁細(xì)胞和纖維組成的后生木質(zhì)部。維管植物次生生長時(shí)，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(xì)胞和纖維。其中，管狀分子和纖維細(xì)胞均發(fā)生次生壁加厚。

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

植物木質(zhì)部次生細(xì)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(jī)制研究也取得了一定的進(jìn)展，目前認(rèn)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(cuò)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(jí)調(diào)控木質(zhì)部次生細(xì)胞壁組分形成。當(dāng)前有關(guān)木質(zhì)部次生細(xì)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(gè)層次的植物木質(zhì)部次生細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(dá)VND6表現(xiàn)為后生木質(zhì)部加厚，而過表達(dá)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(xì)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(xì)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(gè)基因上。此外，VND6/VND7轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)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(dá)，正向調(diào)控VND6/VND7轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)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(dá)產(chǎn)生抑制作用[9]。LBD15/ASL11在擬南芥幼苗期導(dǎo)管細(xì)胞中特異表達(dá)時(shí)對VND7的表達(dá)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(diǎn)特異性激活[11]。與LBD相反，VNI2在木質(zhì)部和韌皮部都有表達(dá)，并負(fù)向調(diào)控VND[9]。E2Fc對VND7的調(diào)控具有兩面性：表達(dá)量過高或過低時(shí)抑制VND7表達(dá)，適量表達(dá)時(shí)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(dá)，在莖微管組織的木質(zhì)部導(dǎo)管中表達(dá)量最高。VND1、VND2和VND3在原形成層細(xì)胞中表達(dá)，而VND4和VND5的表達(dá)主要在下胚軸木質(zhì)部中。VND1～5的過表達(dá)都能誘導(dǎo)次生壁合成基因的表達(dá)上調(diào)，并促使薄壁細(xì)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(xì)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(xì)胞次生壁的加厚過程[13]，同時(shí)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(xì)胞中特異表達(dá)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(xì)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(dá)與纖維中次生壁的增厚相關(guān)，顯性抑制SND1的表達(dá)可使得纖維的次生壁厚度明顯降低[18]。同時(shí)，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(xì)胞壁加厚完全被抑制。SND1 / NST1-RNAi植物莖中的纖維細(xì)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(dá)量嚴(yán)重降低。擬南芥NST3（SND1）啟動(dòng)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(xì)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(xì)胞的次生細(xì)胞壁加厚過程[1]?；ㄋ巸?nèi)皮細(xì)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(dá)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(shí)也誘導(dǎo)莖稈、葉片和根等組織中的細(xì)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(xì)胞壁木質(zhì)素合成受阻，導(dǎo)致植株花藥不能開裂，同時(shí)，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(jí)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(xì)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(xì)胞壁的加厚[24-25]。MYB46直接結(jié)合下游14個(gè)與木質(zhì)素和纖維素合成相關(guān)基因的啟動(dòng)子并激活表達(dá)，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(xì)胞壁形成的關(guān)鍵調(diào)控因子。MYB46和MYB83的超表達(dá)同時(shí)激活2級(jí)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)從而調(diào)控合成，目前已被報(bào)道的2級(jí)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(dá)[24-25,30-31]。其中，MYB20、MYB42、MYB43和MYB85是擬南芥木質(zhì)部次生細(xì)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(fù)調(diào)控木質(zhì)部次生細(xì)胞壁的增厚[31]。MYB58和MYB63的過表達(dá)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(xì)胞中的異位沉積[30]。

3 其他植物中次生細(xì)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(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族存在相當(dāng)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(jì)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(diǎn)問題，次生壁合成機(jī)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(gè)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(gè)與NST同源的基因，PtrWNDs在木質(zhì)化細(xì)胞中表達(dá)，其在擬南芥中異源表達(dá)可恢復(fù)snd1 nst1雙突變體表型，超表達(dá)可引起次生壁合成基因表達(dá)上升[34-38]。而其基因組中至少192個(gè)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(biāo)[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(dá)會(huì)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(xì)胞壁的合成調(diào)控[40]，同時(shí)激活了許多與次生壁相關(guān)的次級(jí)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，包括MYB42、MYB54、MYB58、MYB63和MYB85[40]。擬南芥MYB42和MYB85的同源基因PtoMYB92過表達(dá)導(dǎo)致莖中次生細(xì)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(dāng)在擬南芥中過表達(dá)時(shí)，其可激活整個(gè)次生細(xì)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(gè)SND1的同源基因，分別為OsSWN1、OsSWN3和OsSWN7。玉米中有4個(gè)，分別為ZmSWN1、ZmSWN3、ZmSWN6和

ZmSWN7。

4 展望

維管植物木質(zhì)部次生細(xì)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(jiān)實(shí)的理論支撐。有關(guān)木質(zhì)部次生細(xì)胞壁加厚的3個(gè)層次的植物木質(zhì)部次生細(xì)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(xì)胞壁加厚過程所伴隨的細(xì)胞停止生長是細(xì)胞壁加厚的原因還是結(jié)果；植物次生壁停止加厚的機(jī)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(hào)以及二級(jí)轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄后調(diào)控水平機(jī)制也不甚清楚。隨著問題的提出，逐漸意識(shí)到對于植物分子轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的研究不應(yīng)僅局限于單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子作用及靶點(diǎn)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(xì)胞壁加厚機(jī)制，且對次生壁合成的獨(dú)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(xì)胞壁加厚過程中不同層級(jí)轉(zhuǎn)錄因子的作用機(jī)理及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進(jìn)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。