在慶祝創刊125周年之際，SCIENCE公布了125個最具挑戰性的科學問題。這125個問題涵蓋生命科學問題，宇宙和地球問題，物質科學問題，認知科學問題，數學與計算機科學，政治與經濟，能源，環境和人口等。在今後1/4個世紀的時間裡，科學家們將致力於研究解決這些問題。《科學通報》曾刊發了Science125個科學前沿問題系列解讀，內容全面，值得一讀。經授權，我們將全文轉載有關植物科學問題的系列解讀，歡迎關注。
Science125個科學前沿問題系列解讀
How do plants make cell walls?
植物細胞壁研究與生物質改造利用
作者 | 黃成*, 李來庚*（中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所）
化石能源使用產生的汙染和溫室氣體已使地球環境高度惡化, 同時化石能源的不可再生使人類文明可持續發展受到越來越大的挑戰。植物通過光合作用利用太陽能將二氧化碳和水合成為有機化合物, 全球陸生植物每年生物產量約170×109~200×109 t, 其中約70%轉化為高分子聚合物累積在細胞壁中, 具有巨大的開發潛力【1】。探索植物如何形成細胞壁以及如何將生物質轉化為可利用的能源對人類社會可持續發展具有重要的意義, 被Science列為人類所面臨的需要回答的重要科學問題之一【2~4】。
細胞壁是植物重要的特徵性結構, 包括中膠層、初生細胞壁和次生細胞壁。前兩層普遍存在於所有的植物組織細胞中, 由纖維素、半纖維素、果膠質和少量蛋白質組成, 與細胞間黏附、細胞擴增及細胞形態的決定有關【5】。次生細胞壁只沉積於特殊類型細胞的初生壁內部, 含有纖維素、半纖維素和木質素, 賦予細胞壁機械強度以及疏水性, 這種物理和化學特性對植物直立生長、水分和營養物質的運輸、抵抗外界生物非生物脅迫非常重要【6,7】。自1665年胡克用光學顯微鏡觀察到栓皮櫟栓化的次生細胞壁結構, 稱之為細胞以來, 人們對植物細胞壁進行了廣泛而深入的觀察和研究。從20世紀末至今, 細胞壁成分的合成與組裝、細胞壁合成調控的分子機制、細胞壁參與環境脅迫等方面都得到了系統解析【8】。同時, 細胞壁中所積累的生物高分子聚合物是人類生產生活及生物能源工業的重要原料來源, 細胞壁的改造與利用受到越來越多的關注【9】。
1 植物細胞壁的合成與調控
1.1 細胞壁主要成分的合成
纖維素是植物細胞壁的主要成分, 約佔乾重的40%~50%, 在細胞壁中以微纖絲的形式存在。葡萄糖以β-(1→4)糖苷鍵連接而成葡聚糖鏈, 多條葡聚糖鏈平行排列, 糖鏈間靠氫鍵連接, 形成直徑約5~10nm的結晶態微纖絲【10】。早期使用冰凍蝕刻技術和免疫膠體金標記方法在細胞膜斷面上觀察到「玫瑰花環」結構的六聚球狀蛋白複合體【11,12】。後來的研究表明, 這種玫瑰花狀結構即為纖維素合酶複合體, 包括6個亞複合體結構, 分別由3~6個纖維素合酶蛋白組成, 合成18~36條葡聚糖鏈構成的微纖絲【13】。纖維素合酶是一類糖基轉移酶(glycosyltransferase, GT),催化二磷酸尿苷葡糖 (uridine 5′-diphosphoglucose,UDP-Glucose) 形成葡聚糖鏈。高等植物中纖維素合酶的發現最早基於對細菌纖維素合酶基因的同源克隆, 在棉花(Gossypium hirsutum)中發現高度同源的基因GhCesA-1和GhCesA-2【14】。隨著測序技術的應用, 基因組分析在很多高等植物中鑑定出纖維素合酶家族成員, 如擬南芥(Arabidopsis thaliana)中10個、毛果楊(Populus trichocarpa)中18個、水稻(Oryza sativa)中10個以及高粱(sorghum)中的12個【15】。
初生細胞壁和次生細胞壁中的纖維素屬性有所不同, 次生細胞壁中纖維素的結晶度和聚合度都相對較高, 且在次生細胞壁的不同層結構中, 纖維素的結晶度和聚合度也不同。擬南芥纖維素合酶家族基因的10個成員中除Ces10外, 一般可分為與初生壁和次生壁相關的兩類纖維素合酶基因, 各自形成複合體參與纖維素合成, 稱為擬南芥Ⅰ型纖維素合酶複合體(cellulose synthase complex, AtCSC-I)和Ⅱ型纖維素合酶複合體(AtCSC-II)。木本植物維管系統次生生長過程需要合成大量的纖維素, 具有比草本植物更加複雜的纖維素合酶家族。楊樹(Populus)中的兩類纖維素合酶複合體(PtCSC)蛋白種類與AtCSC對應同源, 但是數量加倍, 並且這兩類複合體都參與次生細胞壁的合成, 暗示纖維素合酶複合體可能調控不同結晶度纖維素的合成【16,17】。
纖維素在細胞壁內沉積有一定方向性和排列方式, 在初生壁中, 微纖絲排布方向受皮層維管排列的制約, 大多與細胞長軸垂直, 而在次生壁中,微纖絲排布方向則複雜化。有很多其他蛋白被發現影響纖維素的合成和沉積過程, 但是是否與次生壁纖維素有特異關係還不清楚【18】。
半纖維素是植物初生壁和次生壁中廣泛存在的多種單糖形成具有分支結構的多糖, 它與細胞壁其他成分纖維素、木質素等相互作用形成網絡以加固細胞壁。半纖維素由於骨架及側鏈取代的糖分子不同而分為多種類型, 包括木葡聚糖、木聚糖、甘露聚糖、葡甘露聚糖以及β-(1→3, 1→4)-葡聚糖。半纖維素是由高爾基體膜上的糖基轉移酶來合成的, 目前已經鑑定到一些相關酶, 但是詳細的合成機制還不是非常清楚【19】。
果膠質存在於中膠層和初生壁, 是一類富含半乳糖醛酸的多分支複雜多糖, 填充在纖維素和半纖維素交聯形成的網絡中。果膠質的存在能夠調節初生壁強度和可塑性, 同時在植物對病原菌的響應過程中也起到重要作用【20】。作為最複雜的細胞壁成分, 果膠質的合成過程有大量糖基轉移酶參與, 目前鑑定出參與果膠合成的酶基因很有限【21】。
木質素是植物次生壁特有的一種苯丙烷類多聚物, 使其具有很強的機械支撐力, 同時幫助抵抗外界昆蟲和微生物的入侵, 木質素的疏水特性有利於水分從木質部管狀分子向上運輸【22】。被子植物木質素的組成單體主要有3種類型: 對-香豆醇、松柏醇和芥子醇, 分別可以聚合形成H-木質素(p-hydroxyphenyllignin)、G-木質素(guaiacyl lignin)和S-木質素(syringyl lignin)。在植物細胞中, 木質素的含量和組成隨著植物類群不同、組織類型不同、發育階段不同甚至外界環境的不同都會有所差異, 因此木質素的合成途徑並不完全相同。隨著擬南芥和一些木本植物木質素單體合成基因的克隆和鑑定, 對木質素單體合成途徑已經有比較完整的認識。木質素單體的合成是在細胞質中進行的, 從苯丙氨酸開始, 經過去氨基、芳香環羥基化、羥基甲基化、連續的還原等反應合成3種單體, 多種酶參與這一過程, 並且3種單體的合成途徑有所差異【23,24】。木質素單體經過脫氫聚合形成多聚物, 近期的研究表明, 擬南芥維管組織中漆酶LAC11 (laccases), LAC4和LAC17在催化木質素單體聚合過程中起主要作用, 過氧化物酶可能在其他組織木質素沉積中起作用【25,26】。關於木質素單體如何運輸到質膜外的細胞壁中目前還沒有確定的模型, 現在認為木質素單體被轉運蛋白運輸, 但是被哪些蛋白如何運輸, 還需要更多研究【27】。
1.2 細胞壁合成的調控
植物生長發育過程中細胞壁的合成受到嚴格調控, 特別是只在特殊類型細胞沉積的次生壁, 受到多層次的轉錄網絡調控。兩類NAC (no apical meristem/Arabidopsis transcription activationfactor/cup-shaped cotyledon, NAM/ATAF/CUC)家族轉錄因子被發現作為初級轉錄因子開啟維管組織纖維細胞和導管細胞次生壁合成。一類是NST3/SND1 (NAC secondary wall thickening promoting factor3/secondary wall-associated NAC domain protein 1)、NST1和NST2, 擬南芥中三者的同時突變使得束間纖維和木質部纖維細胞次生壁加厚完全丟失【28】, nst1nst2雙突變體中, 花葯藥室內壁次生壁加厚受抑制導致花葯不能正常開裂【29】。另一類VND (vascular-related NAC domain) 基因家族VND1~7參與調控導管細胞發育, 過表達VDN6和VND7能誘導百日草(Zinniaelegans Jacq.)懸浮細胞系中薄壁細胞轉分化為具有環紋和螺紋加厚的原生導管細胞以及具有網紋和孔紋加厚的後生導管細胞, 顯性抑制這兩個基因能抑制擬南芥根中原生導管和後生導管的形成【30】。VND1~5在擬南芥花序莖中特異表達在木質部, 同VND6, VND7一起調控導管細胞次生壁加厚【31】。兩類NAC轉錄因子激活很多下遊轉錄因子, 包括SND2, MYB46 (v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog),MYB85, MYB103和KNAT7 (knotted-like homeobox of Arabidopsis thaliana 7)等【32】, 也可以直接激活次生壁合成相關酶基因, 如纖維素合酶基因CesA4, CesA7, CesA8等, VNDs還調控木質部形成過程中參與細胞程序性死亡的基因XCP1 (xylemcysteine peptidase 1)和XCP2【33~35】。MYB46和MYB83被NAC轉錄因子直接調控, 遺傳學分析發現, MYB46和MYB83雙突變體產生嚴重的次生壁合成缺陷, 過表達MYB46和MYB83能激活次生壁的各組分合成基因的表達上調【36~38】。MYB46和MYB83受NAC轉錄因子調控, 二者同時直接激活下遊轉錄因子和部分次生壁合成基因, 形成了多級前饋式的轉錄調控網絡對次生壁合成精確調控, 同時這種調控網絡在不同植物類群中具有保守性【39】。
次生壁合成轉錄調控網絡也受到上遊因子調控, 目前發現一些激素等信號途徑參與其中。對擬南芥下胚軸單獨或組合施加外源生長素、細胞分裂素和油菜素內酯, 發現VND6, VND7的表達量產生複雜的變化, 其中的調控機制尚不清楚【30】。最近在水稻中研究發現, 赤黴素信號途徑通過多級轉錄因子調控次生壁纖維素合酶基因表達【40】。木本植物次生生長過程中維管系統大量沉積次生壁, 需要比一年生草本植物更加複雜的調控機制。對毛果楊發育中次生木質部和韌皮部表達的膜蛋白分析鑑定到很多類受體激酶, 這類蛋白可能在特定位置的細胞質膜上接受胞外信號調控次生壁成分合成【41】。半乳葡甘露聚糖(galactoglucomannan oligosaccharides, GGMOs)在百日草懸浮細胞體系中可作為外源信號分子誘導管狀分子的形成【42】, 楊樹中內切-1,4-β-甘露聚糖酶PtrMAN6 (endo-1,4-β-mannanase 6)水解甘露聚糖產生GGMOs, 可能作為信號抑制次生壁加厚, 這些研究結果暗示植物次生壁合成可能受到包括寡糖在內的複雜信號途徑調控【43】。
2 植物細胞壁的改造與利用
從最原始的直接燃燒獲取熱量, 人類對細胞壁的利用由來已久, 植物為人類提供的能源、纖維、建築材料、造紙原料等, 大部分來源於細胞壁。近幾十年來, 隨著全球能源需求不斷增加和溫室氣體大量排放帶來的環境問題日益加劇, 尋找可再生綠色能源受到了廣泛關注, 細胞壁特別是次生細胞壁中的木質纖維素生物質, 是獲得生物燃料最豐富的可再生原料來源【44】。木質纖維素生物質經過預處理、糖化、發酵3個過程轉化為可直接利用的醇類等生物燃料【45】。目前技術成本高、效率低使得纖維素生物質轉化利用的市場競爭力不強, 利用生物技術手段定向改造生物質, 有可能培育高效轉化的生物質原料【46】。
細胞壁中纖維素是可被糖化發酵的主要成分, 研究表明, 增加纖維素總含量以及降低纖維素結晶度可以提高總糖化效率【47,48】。本課題組在研究中發現, 調控楊樹中纖維素合酶複合體構成, 可以改變纖維素結晶度和纖維素水解效率(結果待發表)。有研究表明, 在植物中引入高效和耐溫型纖維素水解酶的基因, 能促進纖維素轉化為可發酵的單糖【46】。半纖維素多糖同纖維素微纖絲及木質素交聯加固次生壁, 阻礙纖維素酶對纖維素的水解作用, 因此半纖維素含量與糖化效率呈負相關【49,50】。細胞壁多糖的修飾也會阻礙酶對糖鏈的降解, 如乙醯酯化、甲基酯化等。同時, 乙酸基團釋放後改變環境的酸鹼度影響之後的糖發酵效率【51】, 因而半纖維素這些結構的改變可能影響木質纖維生物質的轉化效率。雖然果膠質在次生壁的含量非常少, 但由於次生壁沉積於富含果膠的初生壁內側, 果膠與初生壁骨架的交聯阻礙消化酶對纖維素多糖的降解, 因此降低果膠質含量、提高果膠甲基酯化水平有利於提高糖化效率【52】。
木質素是木質纖維生物質轉化利用中的主要抑制組分, 研究人員試圖通過基因工程技術, 改變木質素的含量和組成, 改進木質纖維生物質的轉化利用效率。在楊樹中, 抑制4CL (4-coumarate–CoA ligase)表達, 木質素含量可降低50%, 同時, 纖維素含量增加【53】。抑制4CL表達的同時過表達CAld5H(coniferaldehyde 5-hydroxylase)基因, 實現了同時降低木質素含量和改變木質素單體組成, 木質素含量降低50%, 單體組成的S/G(syringyl unit/guaiacyl unit)比率從2增加到6, 纖維素含量增加30%【54】, 利用木質素含量和單體組成改變的細胞壁生物質材料生產生物乙醇, 效率顯著提高(結果待發表)。通過抑制CCR(cinnamoyl-CoA reductase)基因的表達, 木質素含量降低約50%, 對5年田間試驗種植的轉基因楊樹分析表明, 轉基因植物材料的木質素降解效率大為提高【55】。在紫花苜蓿(Medicago sativa)中, 通過抑制木質素合成代謝基因的表達, 使木質素含量降低, 基因工程改造的生物質材料轉化為糖的效率明顯提高【56】。最近, 研究報導了在楊樹中引入結構改造後的OMT (O-methyltransferase)基因, 顯著提高了楊樹細胞壁轉化為乙醇的效率【57】。另外, 在利用生物技術對玉米(Zeamays)、柳枝稷(Panicum virgatum)和樹木進行基因工程改造, 對提高生物質的轉化效率等方面開展了很多探索研究。基因工程技術可能在培育可高效利用的生物質原料植物方面發揮重要作用。
３ 總結與展望
植物細胞壁由多糖聚合物纖維素、半纖維素、果膠質以及苯丙烷類聚合物木質素構成, 它們的合成和積累受到植物發育和多種環境因子的調控, 雖然在解析纖維素、半纖維素、果膠和木質素的基本合成代謝途徑方面取得了一系列進展, 但細胞壁各組分如何與植物生長發育關聯、各成分的合成如何調控、細胞壁各成分構成比例如何控制等還很不清楚。這些問題不僅是植物生長發育中的基本科學問題, 更對高效轉化利用細胞壁生物質具有重要的應用價值。近年來, 組學研究技術以及新的細胞壁分析技術的發展有可能為細胞壁合成研究展開新的探索窗口, 加速闡明植物如何合成細胞壁這一人類高度關注的科學問題。
目前對木質纖維素生物質進行基因工程改造的很多研究還處於實驗室探索階段, 改造細胞壁對植物生長發育會產生非常複雜的影響。如何將多種細胞壁改造方法應用於能源植物, 同時不影響其在自然條件下的生長狀態是接下來直接面對的問題。
植物細胞壁不僅是植物生命活動中具有關鍵功能的結構, 也是光合作用產物的儲存庫。細胞壁生物質是地球上最豐富的可再生生物質資源, 細胞壁蘊藏著巨大的能源和生物聚合物資源。為了有效開發利用細胞壁, 需要了解關於細胞壁合成和調控的新知識, 需要利用細胞壁合成的機理來培育可高效轉化利用的生物質原料, 需要利用細胞壁組成和結構的知識設計高效轉化利用的生物質精煉技術。
植物細胞壁是如何合成的? 它所蘊藏的能源如何被開發利用? 對這些問題的探索和回答才剛起步。
引用格式:
黃成, 李來庚. 植物細胞壁研究與生物質改造利用. 科學通報, 2016, 61: 3623–3629
Huang C, Li L G. Understanding of plant cell wall biosynthesis for utilization of lignocellulosic biomass resources (in Chinese). Chin Sci Bull, 2016, 61: 3623–3629, doi: 10.1360/N972016-00680
原文連結：
https://doi.org/10.1360/N972016-00680