植物木质素的合成与调控研究进展

木质素作为植物次生细胞壁的重要组分,分布于输导组织和木质化组织细胞壁中,不仅具有提高细胞壁的隔水性和机械强度,而且在提高植物的抗病抗逆方面也发挥着重要作用。对植物木质素的种类、合成调控和利用基因工程从源头调控植物木质素含量等方面的研究现状进行了概述;随着转基因技术的发展,有望通过更多更有效的途径来改变植物木质素的组成。     

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）生物能源利用的研究进展

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）适应性强、生物质产量高,茎可用于生产酒精,叶片可用于家畜饲料,是最具开发潜力的能源植物之一。本文从紫花苜蓿生物能源利用角度出发,系统回顾了近年来紫花苜蓿作为能源植物在种质资源评价、细胞壁主要成分（纤维素、半纤维素、木质素）合成途径及其遗传调控以及栽培管理对酒精生产效率的影响等方面的研究进展,重点讨论了苜蓿细胞壁发育和木质素生物合成基因及其调控效应,并对紫花苜蓿作为能源植物的研发前景进行了展望。     

禾本科植物细胞壁合成调控研究进展

细胞壁是植物重要的特征结构,与植物的生长发育和对外界环境胁迫反应密切相关。秸秆的机械强度是一个重要的农艺性状,与产量、抗性等相关。而秸秆中细胞壁的主要成分纤维素、木质素、半纤维素等可作为重要的化工原料和生物质来源。秸秆理化性状的遗传改良和综合利用策略的形成均有赖于对细胞壁合成调控机理的认识。本文综述了脆秆突变体基因的定位、图谱克隆和功能研究,数量性状位点(QTL)作图和解析细胞壁相关性状的遗传基础以及共表达分析在探索细胞壁生物合成的候选基因和建立辅助细胞壁合成的调节网络中的应用等禾本科植物细胞壁形成和调控研究领域取得的最新进展。此外,还讨论了这些方面的几个潜在的具有挑战性的问题。     

转录因子对木质素生物合成调控的研究进展

木质素是维管植物次生细胞壁的重要组分之一,具有重要的生物学功能。木质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子相互交联,增加了植物细胞和组织的机械强度,其疏水性使植物细胞不易透水,利于水分及营养物质在植物体内的长距离运输。木质素与纤维素共同形成的天然物理屏障能有效阻止各种病原菌的入侵,增强了植物对各种生物及非生物胁迫的防御能力。然而木质素的存在也给人类的生产实践带来诸多负面影响,如造纸业中,由于必须使用大量化学药品去除木质素,加大了造纸成本,严重污染了环境;饲草中的高木质素含量则影响牲畜的消化吸收,降低了饲草的营养价值;过高的木质素含量也影响了人类对生物质能源的发酵利用。因此,利用基因工程改造植物木质素的可降解性意义重大。在高等植物中,木质素通过苯丙烷途径和木质素特异途径合成。在拟南芥中,NAC、MYB以及WRKY类转录因子都参与了对木质素生物合成的调控。在拟南芥中,MYB26可激活NST1/NST2的转录;WRKY12可与NST2的启动子区结合并对其表达进行负调控;SND1（NST3）和NST1主要在纤维次生壁的形成中发挥作用,两者功能有冗余;NST1和NST2在调控花药壁的次生壁的增厚中功能有冗余;VND6和VND7则主要在木质部导管的分化中起重要作用,这些NAC类转录因子通过与下游的MYB类转录因子如MYB83、MYB46及（或）MYB58、MYB63、MYB85和MYB103的结合对木质素合成基因的表达进行正调控,而MYB75对木质素生物合成进行负调控。多数MYB转录因子通过与下游木质素生物合成途径基因启动子区的AC元件（I、II和III）结合从而对其表达进行调控。研究表明,bHLH类转录因子也参与了对木质素生物合成的调控。文章综述了各类转录因子对木质素生物合成调控的最近进展,绘制了拟南芥中木质素生物合成的主要调控网络,同时也总结了其他物种（如水稻、小麦、玉米、桉树、松树和杨树等）中已发现的对木质素生物合成进行调控的转录因子。随着高通量测序技术的发展,研究者有望在更多的物种中发现参与木质素生物合成调控的关键转录因子,这些研究将对通过基因工程改造木质素的组成具有重要的借鉴意义。     

新机制“狙击”玉米纹枯病

正《自然—遗传学》在线发表了山东农业大学教授储昭辉、华中农业大学教授严建兵课题组的研究成果。他们从玉米中克隆了针对纹枯病的抗病基因,并揭示了该基因产物通过调控细胞壁重要组分木质素合成而增强植物抗病性的新机制。科研团队发现ZmFBL41基因与抗性的关联最为显著。在ZmFBL41基因内部两个关键氨基酸变异后,木质素可源源不断填补细胞壁,从而增强植物自身的抗病性。     

油菜素内酯合成基因DWF1、DET2 影响毛白杨木质部形成

油菜素内酯对植物的生长发育有重要的调控作用。以转油菜素内酯合成基因GhDWF1和GhDET2的毛白杨为材料,对其生长、木质部显微结构、细胞壁化学组成进行分析,发现油菜素内酯合成基因DWF1和DET2基因的转入影响了毛白杨的木质部形成和细胞壁组分。转基因毛白杨的木质部面积明显高于对照,且细胞较小,细胞壁较厚,可以推测毛白杨体内细胞的分裂和横向扩大受到影响;导管上的纹孔增大,可能会影响水分运输;酸性果胶升高,纤维素含量降低,可能改变了细胞壁的框架结构;转GhDET2基因的毛白杨的木质素含量较高,S型木质素含量较高,化学降解相对容易;而转GhDWF1的毛白杨的木质素含量较低,G/S比最高,S型木质素含量较小。     

次生细胞壁在植物抗病中的作用研究进展

植物对病原菌的抗性依赖于组成性和诱导性防卫屏障所形成的复杂网络。植物细胞壁是病原菌成功侵染植物组织必须克服的障碍之一。传统观点认为植物细胞壁只是一个被动的屏障,但最新研究认为细胞壁是一种调控组成性和诱导性防卫反应机制的动力学结构,而且可以作为信号分子源启动植物的内在免疫反应。通过破坏相关的合成蛋白质而进行的细胞壁完整性的修饰或重构也会对植物的抗病性产生影响。对植物细胞壁抗病的功能进行了系统的介绍,并重点探讨了木质素在抗病过程中的作用。     

前沿动态

<正>植物生长基因调控网络木质部(xylem)位于植物茎和根的中央部分,这些长的中空细胞充当了导管(将水分和矿物质输送到整个植物)和结构物质双重角色。木质部的结构强度来自于次生细胞壁(secondary cell wall)。这一次生细胞壁是由三种分子构成:实质上是糖类的纤维素及半纤维素;以及提供强度的木质素。一些对制造生物燃料感兴趣的研究人员,希望能够在不会太过影响木质素的情况下,从植物材料中除去     

木质素基因调控对木材细胞壁化学组分与微观结构影响的研究进展

木质素是木材细胞壁的第2大化学组分,对树木新陈代谢和生长发育具有重要作用,但木质素的存在阻碍了木材资源作为木质纤维材料的利用。文章分别详细阐述了木质素基因调控对木材细胞壁组分和组织细胞微观结构两方面影响的研究进展,以期为优质速生人工林的选育和培育提供科学理论依据,并在前人研究成果的基础上进行了展望。     

烟草木质素的研究概况

卷烟品质及安全性是烟草行业关注的热点,木质素是烟草细胞壁的主要生物大分子物质之一,参与卷烟的热裂解,形成包括CO、苯酚、多环芳烃等小分子化合物,对卷烟的品质及安全性有重要影响。本文从烟草木质素的结构、检测方法、含量的影响因素、对卷烟品质与安全性的影响及其调控与降解等方面的研究现状进行了概述,表明烟草木质素是G-S型木质素,其含量与地域、品种及部位相关;木质素与卷烟的感官质量及安全性密切相关;基因工程可以从源头调控烟草木质素的含量,木质素的降解主要有酶法、微生物法及化学法。概述旨在为卷烟及造纸法再造烟叶的开发提供参考。