园艺植物表皮蜡质研究进展

园艺植物表皮蜡质是园艺植物地上部分由脂类物质合成的一道疏水层,在植物生长发育过程中,对保护植物抵抗低温胁迫、紫外辐射、非气孔性水分散失、病虫害等起到了重要作用.综述了园艺植物蜡质结构、成分及提取方法,蜡质的作用与环境影响的研究;并对园艺植物表皮蜡质研究中存在的一些问题和研究前景进行了分析和展望.     

植物表皮蜡质的研究进展及WIN1对植物表皮蜡质的影响

植物表皮蜡质是覆盖在植物最外层的不溶于水而溶于有机溶剂(氯仿等)的一类有机混合物的总称,在植物生长发育过程中起重要作用。就植物表皮蜡质的成分、合成、分子生物学机制作了介绍,并阐述了一种乙烯应答型转录因子WIN1对植物表皮蜡质的影响。     

植物表皮蜡质合成、运输及调控机制研究进展

为阐明植物蜡质合成/转运的分子机制及调控网络,依据PubMed,Web of Science和中国知网数据库,以“表皮蜡质”和“植物”的中英文为关键词,检索了1974—2022年发表的相关文献125篇,通过整理和归纳,分析以玉米为代表的植物蜡质代谢相关合成,转运及调控网络。结果表明:植物蜡质成分复杂,一般由超长链脂肪酸、烷烃、醛、醇、酮以及萜类和一些小分子次级代谢物组成。且不同植物及同一种植物不同器官蜡质含量及成分均不同。模式植物拟南芥中表皮蜡质合成、运输及调控机理研究相对清楚,植物蜡质前体物质超长链脂肪酸(very long chain fatty acids,VLCFAs)在脂肪酰-CoA延长酶等多酶体系催化下合成,包括β-酮脂酰-CoA合酶、β-酮脂酰-CoA还原酶、β-羟脂酰-CoA脱水酶和反式烯脂酰-CoA还原酶组成,合成后的VLCFAs通过脱羰基与酰基还原作用进入角质层蜡质合成途径,形成各种蜡质组分。单子叶植物蜡质合成及排列方式与双子叶植物有很多相似之处,也有一定差异,如,拟南芥中ABCG32编码的脂质转运蛋白参与莲座叶角质层蜡质的形成,而玉米GLOSSY13、大麦的HvABCG31和水稻的OsABCG31主要是在幼叶表皮蜡质转运过程起作用。目前,玉米中发现的蜡质突变体超过了30多个,相关基因还有待挖掘。     

植物蜡质及其与环境的关系

由蜡质和角质层构成的植物叶皮,主要附着于表皮的细胞之外。其中,角质层是一种网状的结构,由蜡质不断的填充到这种网状结构之中,这部分的蜡质层被称为内蜡质层。植物的蜡质是一种介质,植物蜡质的成分所能够对应着的植物蜡质层形态外部环境之间的关系,可以帮助植物实现与外部的环境实现交流的一个界面。而在这层角质层的外面又形成了自我组装的外蜡质层。植物的蜡质与环境之间有着密切的关系,对于植物的生长有着重要意义。     

大麦叶片表皮蜡质含量的动态变化

为了了解水分胁迫对植物表皮蜡质含量的影响及叶片表皮蜡质含量与植株抗旱性的关系,采用裂区设计研究抗旱能力不同的4个大麦品种从植株挑旗期到成熟期的旗叶及旗叶鞘表皮蜡质含量的变化趋势,探讨大麦叶片的表皮蜡质含量与抗旱能力的关系及机理。结果表明,干旱胁迫下大麦叶片表皮蜡质含量增加,随着植株生长发育及干旱胁迫程度的增加,其变化趋势表现为先上升后下降。抗旱能力不同的大麦品种表皮蜡质含量变化趋势相似,然而,抗旱品种的叶片表皮蜡质含量的变化强度较弱抗旱性品种的大。干旱胁迫初期,抗旱品种表皮蜡质变化明显,推测叶片表皮蜡质含量迅速增加可能是植物响应外界不良环境自我调节的表现之一。     

低温胁迫下拟南芥表皮蜡质的响应机制

【目的】低温是影响作物产量和品质的主要环境因素之一,而表皮蜡质是植物抵御外界胁迫的第一层保护性屏障。研究低温胁迫对拟南芥表皮蜡质组分含量、结构及相关蜡质基因表达的影响,有助于进一步理解植物表皮蜡质与低温互作机制,从而对后续作物的抗性机制研究起指导作用。【方法】以野生型拟南芥与蜡质突变体cer1、cer3、cer4、cer6、cer10、cer20及kcs1为试验材料,待植株生长至5-6周时进行4℃胁迫处理10 d和18 d。利用扫描电子显微镜观察表皮蜡质晶体结构变化;利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）分析蜡质组成及含量变化;利用qRT-PCR技术检测蜡质基因CER1、CER3、CER4、KCS1、WIN1的表达。【结果】低温胁迫后,拟南芥蜡质晶体结构在分布密度、形状与大小方面发生了不同程度的变化。野生型拟南芥蜡质晶体熔融成片,大面积覆盖茎秆表面,这可能一定程度上起到了低温阻隔作用,并减少水分散失。cer1突变体表现出松针状晶体显著减少,并以小型树枝状结构为主;cer3与cer10杆状晶体显著减少;而cer6与cer20蜡质晶体在低温胁迫后有所增加;kcs1蜡质晶体在低温胁迫后垂直杆状结构显著减少,水平杆状结构出现,并伴有蜡质晶体熔融现象。低温胁迫对一级醇减少突变体cer4结构无显著影响。GC-MS分析结果表明,拟南芥野生型与各突变体在低温胁迫下表皮蜡质组分含量也发生了不同程度的变化。野生型中醛类与酮类含量显著减少、一级醇类含量显著增加。各突变体则表现出相反的变化,蜡质组分中醛类、酮类含量增加或无显著变化、一级醇含量减少或无显著变化;受低温胁迫较重的cer3﹑cer10表皮蜡质中一级醇含量显著下降。拟南芥表皮蜡质在低温胁迫下显著积累（cer3 无显著变化、cer10 蜡质总量减少）,且主要通过增加烷类与次级醇含量来增加蜡质总量。低温胁迫诱导了野生型CER1 基因的强势表达,植株通过上调CER1 的表达促进烷类物质的合成以响应低温胁迫;CER4 的表达上调促进了一级醇的合成。KCS1、CER3与WIN1在低温胁迫下表达下调,暗示了植株蜡质总量的增加主要是通过蜡质合成的下游途径如烷合成途径增加。【结论】低温胁迫可以改变表皮蜡质晶体结构及组分含量,蜡质组分中烷类与次级醇类含量的上升是响应低温胁迫的主要方式,蜡质总量的增加主要来自于烷类的增加。CER1是响应低温胁迫的主要蜡质基因。     

植物表皮蜡质及极长链脂肪酸类物质的研究进展

作物表皮蜡质作为一种综合抗性指标,在最近几年成为国际上一个研究热点。极长链脂肪酸类物质(VLCFA,Very-Long-ChainFatty acids)及其衍生物是植物表皮蜡质的重要成分,在增强植物抗旱保水能力、提高抗冷性、改良作物品质等方面发挥重要功能。该文介绍了表皮蜡质的主要成分,表皮蜡质和VLCFA在植物抗逆过程中发挥的功能,以及表皮蜡质的合成通路和分子生物学研究进展。     

烟草叶片表面蜡质成分及含量研究

为了研究烟草(Nicotiana tabacum L.)叶片表皮蜡质组成以及蜡质的含量,以NC89为材料,对其叶片进行蜡质提取,并利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)和气相色谱-火焰离子化检测仪(GC-FID)对提取的蜡质进行定性和定量分析。同时采用扫描电镜(SEM)观察其叶片表面蜡质超微结构。结果表明:烟草叶表皮蜡质经GC-MS分析,共鉴定出化合物23种,主要为直链烷烃与支链烷烃,并含有少量的初级醇以及三萜类化合物;表皮蜡质含量为(5.578±0.463)μg/cm2,直链烷烃[(2.717±0.345)μg/cm2]与支链烷烃[(2.052±0.120)μg/cm2]为蜡质主要组分。直链C31烷烃含量最高,初级醇和三萜类化合物含量相对较低。扫描电镜观察到烟草叶片上下表面蜡质层都较平滑,无明显的蜡质晶体。     

大麦叶片表皮蜡质含量与抗旱性的关系研究

[目的]了解植物叶片表皮蜡质含量与抗旱性的关系.[方法]对抗旱性不同的6个大麦品种进行干旱处理,对灌浆期的大麦旗叶、旗叶鞘表皮蜡质含量与7个重要的抗旱生理指标进行测定分析.[结果]干旱条件下不同大麦品种间的蜡质含量、相对含水量、叶绿素含量及气孔导度存在显著或极显著差异.抗性大麦品种的表皮蜡质含量及水分利用效率显著高于抗旱性弱的品种.表皮蜡质含量越高的品种,其蒸腾速率和胞间CO2浓度越低,水分利用效率越高.[结论]提高水分利用效率的途径主要是通过降低蒸腾速率.干旱胁迫下叶片失水,气孔开度减小甚至趋于关闭,而高蜡质含量品种的气孔导度更小,阻力增大,降低蒸腾速率,减少水分散失,维持较高含水量,提高植株抗旱性.     

稻叶表皮蜡质提取方法及含量的比较

以水稻成熟叶片为材料,用氯仿和正己烷两种溶剂,采用常温法、加热法和常温加热结合法提取稻叶表皮蜡质.结果表明,氯仿作溶剂的提取效果好于正己烷,常温加热结合法提取表皮蜡质含量最高,加热法居中,常温法最低.扫描电镜观察结果表明,采用常温加热结合法,用两种溶剂都能将叶表皮蜡质完全提取干净;采用加热法,用氯仿为溶剂能将叶表皮蜡质提取干净,而用正己烷为溶剂,叶片表皮蜡质还有少量呈不规则的小粒状残存;用常温法则两种溶剂都不能将稻叶表皮蜡质提取干净.提取时间对蜡质提取效果有明显影响,高温下(氯仿60℃或正己烷67℃)提取超过30 s,导致细胞内脂溶性成分渗出.综合蜡质含量和扫描电镜分析的结果,以氯仿为溶剂、60℃30 s提取是有效且简单易行的稻叶表皮蜡质提取方法.     

植物角质层蜡质的化学组成研究综述

角质层是植物与外界的第一接触面,而角质层蜡质则是由位于角质层外的外层蜡质和深嵌在角质层中的内层蜡质两部分构成。植物角质层蜡质成分极其复杂,具有重要的生理功能。综述了有关植物角质层蜡质的化学组成信息,探讨了目前植物角质层蜡质化学成分研究中存在的一些问题,展望了角质层蜡质成分的研究前景。     

采前套袋对苹果梨表皮蜡质结构和化学组分的影响

【目的】探讨采前套袋处理对苹果梨（Pyrus bretschneideri Rehd. cv. Pingguoli）果皮蜡质结构和化学组分的影响。【方法】在花后60 d对苹果梨果实进行双层套袋处理,通过扫描电镜观察和气相色谱-质谱联用（GC/MS）分析,了解套袋微域环境对果皮蜡质含量、结构和化学组分的影响。【结果】套袋处理苹果梨表皮蜡质含量与未套袋相比差异不显著;与未套袋相比,套袋果实表皮蜡质粗糙、蜡膜不均一、裂纹较多,且表面无蜡质结晶形成。对其蜡质组分分析表明,套袋与未套袋果实检出的蜡质组分数量与种类均存在差异;在含量上套袋果实烷烃较未套袋有所提高,链烷酸有所下降。同时采前套袋处理的果实蜡质组分中饱和链烷酸的碳数分布优势也发生了变化,未套袋果实以C28、C30和C26的相对丰度较大,而套袋果实仅以C26和C28的相对丰度较大,并未检测到C30饱和链烷酸。【结论】采前套袋处理对苹果梨表皮蜡质超微结构、化学组分种类和链长均具有明显的影响,但其影响机制尚需进一步研究。     

Leaf epicuticular waxes

The external surface of the higher plants comprises a cuticular layer covered by a waxy deposit. This deposit is believed to play a major part in such phenomena as the water balance of plants and the behavior of agricultural sprays. The wax contains a wide range of organic compounds. These complex mixtures are amenable to modern microchromatographic and microspectrometric analytical procedures. The few surveys which have been made of the species distribution of certain classes of constituents indicate that such distribution may be of limited taxonomic value; however, the wax composition of a species may differ for different parts of the same plant and may vary with season, locale, and the age of the plant. This fascinating subject, in which the disciplines of botany, biochemistry, chemistry, and physics overlap and interact, is still in a very active state. Much remains to be learned about the composition and fine structure of the wax deposits, and, for this, experimental study of wax crystallization and permeation through artificial membranes will be required. Enzymic studies, radiolabeling, and electron microscopy will be needed to reveal the mode of biogenesis of the wax constituents and their site of formation and subsequent pathway through the cuticle to the leaf surface.     

Fine mapping of a novel wax crystal-sparse leaf3 gene in rice

Cuticular wax plays an important role in protecting plants against water loss and pathogen infection and in the adaptations to environmental stresses. The genetic mechanism of the biosynthesis and accumulation of epicuticular wax in rice remains largely unknown. Here,we show a spontaneous mutant displaying wax crystal-sparse leaves and decreased content of epicuticular wax that was derived from the cytoplasmic male sterility(CMS) restorer line Zhenhui 714. Compared with the wild type Zhenhui 714,the mutant exhibited hydrophilic features on leaf surface and more sensitivity to drought stress. The mutation also caused lower grain number per panicle and thousand grain weight,leading to the decline of yield. Genetic analysis indicates that the mutation is controlled by a single recessive gene,named wax crystal-sparse leaf3(wsl3). Using segregation populations derived from crosses of mutant/Zhendao 88 and mutant/Wuyujing 3,respectively,the wsl3 gene was fine-mapped to a 110-kb region between markers c3-16 and c3-22 on chromosome 3. According to the rice reference genome and gene analysis,we conclude that a novel gene/mechanism involved in regulation of rice cuticular wax formation.     

Plant cuticular lipid export requires an ABC transporter

A waxy protective cuticle coats all primary aerial plant tissues. Its synthesis requires extensive export of lipids from epidermal cells to the plant surface. Arabidopsis cer5 mutants had reduced stem cuticular wax loads and accumulated sheetlike inclusions in the cytoplasm of wax-secreting cells. These inclusions represented abnormal deposits of cuticular wax and resembled inclusions found in a human disorder caused by a defective peroxisomal adenosine triphosphate binding cassette (ABC) transporter. We found that the CER5 gene encodes an ABC transporter localized in the plasma membrane of epidermal cells and conclude that it is required for wax export to the cuticle.     

洋葱无蜡粉突变体特性初步研究

为了探索洋葱蜡粉缺失突变体的特征特性和形态学应用价值，选择20份无蜡粉材料进行田间表型特征观察及叶面蜡质成分分析，并对突变株进行SSR引物筛选。结果表明，洋葱无蜡粉叶片呈亮绿色，有光泽，遗传分析发现叶片蜡粉受隐性基因控制；突变株表现为苗期长势相对弱，产量与品种特性相关；突变株叶片表现出无或少蓟马危害症状，不使用杀虫剂能够达正常洋葱使用杀虫剂抗葱蓟马的效果，并建立无蜡粉洋葱抗蓟马评价标准；叶表超微结构观察及蜡粉成分分析发现：突变体叶表面蜡粉严重缺失，有少量蜡粉，不足为人眼观察到，但在抽薹开花末期，花薹表面有一层淡淡光亮白色蜡粉。气相色谱分析叶表面蜡质主要成分均为酰胺、酚类、酮类、烃类、酯类，但无蜡粉叶片中16-三十一酮含量差异显著，由相对含量52.66%降至 2.79%，导致叶表面无蜡粉现象；对19061单株自交分离的有蜡粉与无蜡粉植株进行SSR引物筛选，引物196和304可作为单株特异标记能够将19061有蜡粉与无蜡粉区分，但不能区分其他无蜡粉与有蜡粉材料。因此，洋葱无蜡粉突变体初步研究为洋葱形态学标记和杂交制种应用、抗葱蓟马研究奠定重要基础。     

水稻蜡质合成相关基因 OsCER4 自身启动子驱动的反义RNA转化植株获得

水稻OsCER4基因编码脂肪醛脱羧酶,与拟南芥CER1基因高度同源,是否参与植物表面蜡质合成尚不清楚,为了探讨其功能,扩增了OsCER4基因起始密码子ATG上游约2 kb的序列作为该基因的启动子,以常规技术将启动子和OsCER4基因反义片段克隆到pCAMBIA双元载体1380中,采用农杆菌介导法转化粳稻品种中花11,并进行了转化苗OsCER4蛋白的表达量变化分析.结果表明,成功构建了由OsCER4自身启动子驱动的反义RNA载体,并通过农杆菌介导法成功转入水稻中花11中,多数OsCER4基因反义转化植株为阳性转化植株,后代分离比符合3∶1,反义RNA转化植株在蛋白水平上的表达量下降.     

植物角质蜡质代谢及抗病机制研究

角质蜡质是植物在长期的生态适应过程中进化形成的一类次生代谢产物，广泛参与了植物抗逆、抵御病虫害侵染等诸多抗性生理过程。角质蜡质在植物-病原互作中发挥了重要作用，是植物抗病机制的重要组成部分。随着分子生物学的发展，人们对植物角质蜡质代谢及其抗病机理的认知不断深入。本研究综述了植物角质蜡质生物合成与其抗病机理的最新研究进展并对未来研究提出展望。目前，植物角质蜡质的抗性机理研究主要集中于组成型抗性和诱导型抗性2类。角质蜡质作为角质层主要成分，一方面可作为组成型抗性成分发挥物理抗性(物理屏障)和化学抗性(抑菌)作用；另一方面，也可作为诱导型抗性成分发挥作用，诱导产生的角质蜡质单体除了作为角质层主要成分发挥物理抗性外，也可作为信号分子或者诱导子激活下游的抗性反应进而发挥其化学抗性功能。未来可侧重于对角质蜡质诱导抗性机理的深入阐释，进一步丰富植物化学生态学研究理论体系。此外，基于角质蜡质的诱导抗性作用，可开发角质蜡质类生物农药(植物免疫诱导剂)，为植物病害防控提供新思路。图1参71     

Cl2对植物叶片结构伤害的解剖学研究

对生长在甘肃省金昌地区7种植物进行Cl2生态模拟熏气实验,利用光学显微镜对熏气前后植物叶片的显微结构进行解剖学比较观察研究。结果表明植物受Cl2伤害后,海绵组织和栅栏组织失水收缩,变薄,导致叶片总厚度减小。叶片横切面从外向内为表皮细胞,栅栏组织,海绵组织,贮水组织,下表皮细胞等,这些结构受伤害后,收缩,膨胀各异,表现出不同的抗性。叶肉敏感,表皮细胞居中,维管束抗性最强。