高等植物细胞壁中纤维素的合成
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植物生理学通讯 第 4 4卷 第 4期 ,2 0 年 8月 08
71 9
高等植物细胞壁 中纤维 素的合成
宋东亮 , 沈君辉, 李来庚
中国科学院上海 生命科学研究院植物 生理生态研究所, 上海 2 0 3 00 2
Cel l s y t e i h l W al fHi h rP a t l o eS n h ssi t eCel u n l o g e ln s s
S ONG n - a g , HE J n Hu , I i n Do g Lin ‘ S N u - i L - La Ge g
Isi to Pa t h s lg n clg , h n h in tue fr ilgcl c n e, hn s c dmy Sine, h n h i ntue f l yi oya dE ooy S a g a s tt o oo ia i cs C iee a e cecs Sa g a t nP o I i s B Se A f o
20 32 00 ,Chia n
提要: 植物 细胞壁主要 由纤维素、半纤维素、木质 素和果胶质等构成 。近年来, 细胞壁形成, 在 如纤维素合成 方面的研 究
取得 了一系列非常令人鼓舞的进展 。本文就高等植物 细胞壁 中纤维素合成机制的研 究进展作一介绍 。 关键词: 初生细胞壁: 次生细胞壁; 纤维素; 半纤维素 ; 木质素
植 物细 胞壁 是 围绕在 植物 原 生质体 外 的一种
细 胞结构 。它对 植物 体 的支撑 、水 分和 养 料 的供
D 葡聚糖 构成 主链, 一 支链上 有许 多 O D一 c 木糖 与主 . 链葡 萄糖 的(,) 6位置相 连接 。在细 胞壁 内, 160— 半 纤维 素与纤 维素 形成连接 , 微纤丝一 起构 成网状 与
结构 。
给 、植物 形 态建 成和 植物 与环 境 的相 互 作用 起着 重要 作用, 与植物 细胞分 化 、植物 体 生长发育 也有
密 切关系 。
果胶质 的总 量 占初 生细胞壁 多 糖含量 的 3 % 0 左 右, 它是 复杂 的混合 多糖 , 结构 中含有 O 14D一 c ,一 一 半 乳糖醛酸 , 的丽个基 本组 分是 同聚半乳糖 醛酸 它 (o g lc rn n HG) 鼠李糖 半乳 糖醛酸 聚糖 h mo aa t o a , 和 u
(h mn g lcu o a , r a o aa t r n n RG) 。
植物 细胞壁 的形成首先 是在细胞分裂 后 , 由新 形 成的细胞板 区域 产生初 生细胞壁 , 生细 胞壁之 初 间形成胞 问层 , 以后随着 细 胞的 分化, 初生 细胞 在
壁 的 内侧和 原生质 体的外 面形成次 生细胞 壁 , 随着 细胞 的进一 步分化, 细胞 壁逐渐 形
成与 细胞功 能相
适 应 的结构 。
初 生细 胞 壁 的 主要 功 能 是 结构 和 机械 支撑 、
维持 和决 定细 胞形 态 、抵 抗细 胞膨 胀 压力 、 控制
1 细胞 壁 的 主要组 分 、结 构 和功 能
细 胞 生长 的速 率和 方 向 、植 物 的形态 建成 、 调节
胞 间层 的物 质 扩散 、 储备 碳水 化合 物 、抵 抗病 原 体 、抵 抗 脱 水 胁 迫 、 激 活 源 头 信 号 分 子 、细 胞 之 间 的相 互 作用 等 。
11初生细胞 壁 初生细 胞壁 的主要 组分有 多糖 , . 蛋
白, 如扩 展蛋 白(x a s ) 一些 酶类,以及 一些 e p n i 等, n 离 子 ,如 钙离 子 等 。
初生细胞壁 中的多糖 主要为纤维素(el oe、 cl ls) u 半纤 维素(e c l ls)N 胶质(e t ) h mi l oe ̄ eu p ci 。 n
纤维 素 占初 生壁 干重 含量 的 1 % 3 %。纤维 5 0
12 次生细 胞壁 次生细 胞壁 是在初生 细胞壁 内侧 . 形 成 的, 在组 成上与初 生细胞壁 不 同。次 生细胞壁
除含有 纤维素和半纤维素 外, 还含有木质素(gi) Un 。 n 木 质 素是 一种 酚类 聚合 物 。 在次 生细 胞壁 中木 质
素 一般 以微纤丝( co bi 形式存在 , mi f r) ri l 每条 微纤丝 的横 截面 平均有 3 条 B 1 . 葡聚糖 链, 条葡聚 6 一, D. 4 每 糖 链 由几千 到 上万 个单 糖分 子组 成 。 葡聚 糖链 之 间相互 以氢 键结 合形 成结 晶结 构, 直径 5 0n 1 m。 在微 纤丝 内, 糖链 平行 排 布, 的还 原性 末端 都指 链 向 同一个 方 向, 条链 的起 点和 终 点各不 相 同, 每 上 千 条的葡聚糖 链相 互连接 构成一条 微纤丝 , 长度 可
达 几百微 米 。
素 以高度 交联 的形式存 在, 强 了植物 向上 生长所 增
需 要 的机 械 支 持 能 力 。
次 生细胞壁 是在细 胞停 止扩 展和 伸长之 后 开 始 形 成 的, 以在次 生壁 合成之 后 , 胞 的大 小不 所 细 再 发生变 化, 也说 明次生壁 的形成 是细胞进 行特 这
异 分化 的结构 。次生细 胞壁 的结构一般较 厚, 以 可
半纤维素 是带有支链 的杂多糖 , 支链 中的糖类 型 与主链 的糖 类型 不 同 。初 生细 胞壁 中主 要 的半 纤维素 是木葡聚糖 (yo lcn, x lgu a ) 它主要 是 由 B 1 一 ., 4
收 稿 2 0 — 4 3 修 定 2 0 . 6 3 0 80 . 0 0 80 . 0 资 助 国家杰 出青年科学 基金( 来庚,3 7 5 2 ) 李 020 5。
E— i : l on ma l d s g@ sbsa
. n i . c c ;Te :0 — 49 41 l 21 5 2 61
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植 物 生 理 学 通讯 第 4 4卷 第 4期 ,2 0 年 8月 08
分 为 S 、S 1 2和 S 3三层 ,不 同层 次 的次 生 壁在 组
( ih n 0 0 。 R c mo d 2 0 )
成 、结 构和 微 纤丝 角度 等 方面 都 有所 不 同 。 由于 次 生细胞壁 厚, 存 了大量 的植物 所 固定 的太 阳能 储
和碳 , 积 累 的生物质 ,占植物 生 物质 总量 的绝大 所
22 与初生 壁合 成有 关 的纤 维 素合酶 采用 遗传 学 .
和 生物化 学的方法鉴定 的参 与拟南芥初 生壁合成的 纤维 素合酶基 因有 : C s 、A C s 3 At e A1 t e 、AteA 、 A C s 6
部 分, 地球 上 生物质 的主 要 形式 , 是 是人类 生 活所 At eA2 C s 、At eA5 C s 、At eA9 C s 。其 中At eA1 C s 和 需 要 的纤维 材料 和 生物 能源 原 料 。 由于 细 胞壁 积 At eA3认 为 是 必不 可少 的 基 因 。 Cs 累 了丰 富 的生物质 , 细 胞壁 的主 要聚 合物 , 对 如纤 维素 生 物 合成 的研 究和 开发 利 用 具 有重 要 意 义 。 A C s ( das ln ,s 1基 因突变株对温 t eA r i l g rw ) a lwe i
度 敏感 , 温度 升 高时, 纤维 素合成 减少 , 瑰花形 结 玫 构消 失, 纤维丝 不能形 成结 晶结 构(roi 19) A il等 98。
A C s 3( o a e s tn e ir) S h il等 t eA i x bnr i a c , 1 (c ebe s es x 2 0 )W C s 6( r/r) Depe 等 2 0 ) 0 1 ̄ eA i 2 c ( srz At x p 0 2 的突
2 纤维 素 合酶及 其相 关的基 因 近 1 来, 0年 纤维 素合 成过 程 的研 究多 以拟 南 芥突变 体为材 料, 采用遗 传学 方法 已鉴定 了部 分与
纤维素 合成过 程相 关 的基 因, 人们 对这 一过程 的认 识正在逐步深 入 。
变 体 可 以抵 抗 纤维 素合 酶抑 制剂 异恶 酰草 胺( 除草
剂 的一种 ) 由于 A C s 3基 因和 A C s 1 因 的表 , t eA t eA 基 达 具有 一致性 , 而且 A C s 基 因和 At eA t eA1 C s 3基 因 的纯 合 突变 体初 生 壁缺 陷会 导致 胚胎 致死 。 因此 认为 它们参 与 纤维素 的合成 , C s At eA6的突变 体在 黑暗 条 件 下生 长 时其 下 胚 轴 不能 伸 长( s o 等 De n s 19 ) 它 的突变 体没 有致死表 型 , 9 6, 于是推
测还 有其 他 基 因 在功 能上 与其 冗 余 。 At e A 、At eA C s2 C s 5和 At eA9 序列 上和 Cs 在 At s CeA6基 因有 很 大 的 同源性 ,它们 在 功 能上 与 At eA6 因是 部分 冗余 的 。A C s 2和 At eA6 Cs 基 t eA Cs 双 突变 以后 , 暗条件 下 生长 的幼 苗 的下胚 轴往往 黑
变 得 更 短 ,研 究 P o tr r mo e A /: 6 GUS时 发现 , :
21 纤维 素合 酶 纤 维素 是 由几 种不 同的纤维素 合 . 酶组 成 的复 合体 合成 的 。纤维 素 合 酶是 一类 糖苷 转移酶 (lc sl aseae G ) 一般认 为它 催化 gyoyt nfrs, T , r UDP 葡 萄糖 形 成葡 聚 糖 链 。 一
K mua (9 9用 免疫 细胞学 的方法 , i r 等 19 ) 在冷 冻 条件下 剥裂 细胞膜 , 成功 地将 棉花 纤维素合 酶制 备 的多抗 标记 到赤_ Vg a口  ̄( in r 细胞膜 近 胞浆 ) 侧 的分裂 面 上 。在 电镜 下 可 以观 察到 对称 的玫 瑰 花形( st ) r e e结构 。这个 结 构 由 6个独 立 的球状 蛋 o t
、
白复合 体构 成, 直径 2  ̄ 0In 人们 一般认 为这 就 5 3 r, L
是纤 维素合 酶复 合体 (e uoesnh s o lx cl ls y taec mpe , l
cs 。 c)
At eA / C s 26两个 基 因 的表 达情 况相 似 , 整个 胚轴 在 上 和根 中都 有表达 , 根和 胚轴伸 长 区的细 胞 中表 在 达 最 为强烈 , 测 At eA 推 C s 2和 At eA C s 6可 能与细 胞
植 物 中纤 维素合 酶 的发 现 是基 于基 因序 列 的
比对 分析 。P a 等 (9 6首 次用 同源克 隆 的方 法 er 1 9 ) 找到 了 2个棉花 中与 细菌 基 因 同源 的纤 维素
合酶基 因 Gh eA 与 Gh eA 2 C s C s . 。通 过基 因组信
的伸 长有 关 。At s CeA9仅 在胚 胎发 育过 程 中表 达 ,
且 A C s 、A C s 6和 A C s 三 基 因突变 的突 t eA2 t eA t eA9
息 的分 析, ih n 20 ) Rcmo d(00总结 了拟南芥 基 因组 中 的 1 个 C s 因 的蛋 白序列 的结构特 点 。S zk 0 eA基 uui
等(0 6 将 杨树 基 因组 的 1 个 C s 20 ) 8 eA基 因作 了归 类 。一 般认 为所有 基 因编码 的 蛋 白质有 着相 似 的结构 , 含有 8个跨 膜结 构域 , 2个在 N 端, 6个
变 体 是胚胎致 死 的, 测 A C s 9基 因参 与胚胎 形 推 t eA 成 过
程 。P o trcA: rmoeA e GUS的实验表 明, t eA ts : AC s 5
基 因在 胚轴 顶端 回钩(pcl o k处 的非伸 长细胞 aia ho )
中表 达 。 因而推 测 A C s t eA5基 因在 非伸 长 的细胞 内起 作用( eso P rsn等 2 0 ; srz 2 0 ) 0 7 De pe 等 0 7 。
在 C端 。N端有 1 锌指 结构域 , 个 可能 与蛋 白之 间 的相 互作 用 有关 。锌指 结构 域和 N端 跨膜 结 构域
之 间有一 个 蛋 白序 列 的高变 区 I HVR ) ( I。在 两个
23 与次生壁合成有关的纤维素合酶 T yo 等 . a lr
(9 9 0 0 0 3用 免疫 共沉 淀 的方法 鉴 定 了 19 、2 0 、2 0 ) 与拟 南芥 次 生壁 合成相 关 的 3 纤 维素 合 酶基 因, 个
A C s 4( x ) t eA i 5 、At eA7( x ) At eA i 1, r C s i 3 和 C s 8( x ) r r
跨膜 结构域 之 间是酶 的中央 结构域 , 间有 一个 蛋 其 白序 列高变 区 I HVRI, I( I 高变 区 I两边 各有 一个 ) I 保 守基序 , x D D和 Qx R , x w 它们 的功能主 要是 与
底物 的结合与催 化相 关, 了蛋 白序列 高变 区 Ⅱ外, 除
当它们 各 自突变 后, 拟南 芥发育 生成 不规 则 的木 质
部( rg l ye , i eua x lm)且三 者在相 同的时 间和细 胞 内 r r
表达 ,At e A4基 因不 表 达 时,At e A7基 因和 Cs Cs
中 央 结 构 域 的 不 同 Ce 蛋 白 之 间 非 常 保 守 s A
At s CeA8基 因也 不表 达 。从而 推测 参 与 拟 南芥 次
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植 物 生 理 学通 讯 第 4 4 卷 第 4 期
,
2008
年
8
月
793
生壁 合成 的复合 体至 少含有这 3 种纤维素合 酶
。
合 体 相 互 联 系 的 且 和 微 纤 丝 的形 成 有 关 系
,
。
至于
。
在 筛 选 拟 南 芥 易脆 纤 维 (f r a
也 发现 A t C e s A
7 (f
r a
g ile
i f be
r
,
f r a )突 变 体 时
,
K OR l
蛋 白是 否 参 与 纤 维 素 的 合 成 还 不 清 楚
5 )基 因 和 A t C e s A 8
(f r a 6 ) 基 因上 同
S
一
k o b l / ld l / b i8 三 a e
个 突 变 体 的突 变 位 点 都位 于
有 突变位 点 力减 ~ (Z h o
无报道
。
。
突 变 体 表 型 为 束 间 纤 维 的 机械 承 受
g
个 基 因 ] ~ (P a
g
g
a n
t
.
等 2002
;L e r t p i r i y a p o n g
和
n
等
2003)
。
A tCe sA l O
基 因 的研 究 尚
u n
等
2 0 0 3 ;B
r o c a r
d G iff o r d
,
等
2004 )
。
突变体 的
。
表 型 是 : 纤 维 素合 成 受 阻 纤 维 素 沉 积 呈 现 随
机 性
,
除 了 拟 南 芥 之 外 有 关 水 稻 和 杨树 次 生 壁 合 成
的 纤 维 素 合 酶 的研 究 也 有 报 道
, 。
与
r s w
l
突变 体 的表 型 类 似
,
a
b i8
突 变对
AB A
不敏
,
在筛选 水 稻 脆 秆
O C
A 7
感
。
序 列 分 析 表 明此 基 因 是植 物 所 特 有 的基 因 蛋 白所 含 有 的 结 构 域 其 生 化 功 能 尚不 清 楚 的 组 织特 异 性 分 析表 明
, ,
突 变 体 的过 程 中 有 人 已 发 现 与 水稻 次生 壁 合 成 相
A B l8
m
。
关 的纤维 素合 酶基 因 :
Os Ce sA 9
O
s
C
。
e s
A 4
、
s
e s
和
R NA
a
b i8
在所有组 织 中
一
(T a
n a
k
a
等 200 3)
,
这 3 个基 因 的突变都
18
都 表 达 但 其 蛋 白定 位 分 析 显 示 中于 根 部伸 长 区 的细 胞 中
ELD l GFP
.
AB l8 GUS
主要集
,
分 别 导致 纤 维 素 含 量 下 降 表 明 这 些 基 因 之 间不 是 相互 冗 余 的
基因
P tC
, 。
。
亚 细胞定位表 明
一
在 杨 树 中也 发 现 了
P C R
个纤维 素合 酶
P tC
e s
定 位 于 细 胞 壁 上 说 明它 是
,
个细 胞壁
b i8
定量
A l 3
检测表 明
、
,
基因
A J 8
,
和
蛋白
。
培 养 基 中添 加 葡 萄 糖 可 以 恢 复
l8
a
的其他
。
e s
相对于 叶片
茎 尖和 韧皮部而 言 在发
,
表 型 但 无 法 恢 复 其 根 和 下 胚 轴 伸 长 的表 型
,
因此
,
育 中 的 木 质 部 中表 达 很 强 因 此 推 测 这 两 个 基 因 参 与次 生壁 的合成
P tCe sA 9
,
推测 A B
蛋 白响 应 A B
(c o b )编 码
A
。
信 号 并 且 影 响糖信 号 从
,
另外
,
P
t
C
e s
A 7
、
P tC
e s
A 8
、
而 影 响 细 胞 壁 的合成
Co br
,
和
P tCe sA l 0
在 发 育 的 木 质 部 中也 有 较 高
a
一
个 植 物 糖 磷 脂 酰 肌 醇锚 定
。
的表 达
20 0 6
。
至 于 究竟有 哪 些 纤维 素合 酶 参 与杨树 次
一
蛋 白 其 功 能 尚且 不 知
,
此 基 因 突 变 以后 纤 维 素
,
生 壁 的合 成 过 程 还 有 待进
)
。
步研 究 ( S
S
U Z a
k i
等
合 成 受 阻 植 物 生 长 极 其 矮 d (R
x
o u
d ie
r
等
2005)
。
Pr
o m o
t e r :G :
US
分析显 示它主 要在根伸长 区和黄化
,
2 4
.
与纤 维 素 合 成 相 关 的 其 他 基 因 f r a
基 因突变
苗 的 下 胚 轴 伸 长 部位 表 达 显 示 其 与 纵 向伸 长 细 胞
之 间有密切关系
,
。
的表 型 为 束 间 纤 维 的机械 承 受 力减 弱 以及 纤 维素在
细 胞 膜 上 的 沉 积 方 向发 生 紊 乱
。
Co b
基 因 突 变 以后 微 纤 丝 的 定
。
分析 发 现 该 基 因
,
向发 生 紊 乱 最 终 导 致 纤 维 素 的合 成 受 抑 制
,
亚细
,
编码
一
个 微 管 动 力 蛋 白 (k i n
e s
i n ) (Z h o
n
一
g
等
2002)
。
胞 定位 分 析显 示 此 蛋 白
起 始 位 于 高尔 基 体膜 上 然 后 经 过 膜 泡 运 输途 径 到 达 细 胞 膜 最 后 至 细 胞 壁
,
,
推 测 它 可 能 在 纤 维 素 沉 积 过 程 中起
(S m i t h 和 O p p e n h e i m
Ko
r r
定 的作 用
。
e r
2005)
。
在 伸 长 的细 胞 中 基 因表 达 情 况 分
。
,
COB
一
蛋 白主 要 位 于 细 胞 壁 上 与
,
ig
a n
(K
o r
) 基 因 的 突变 导 致 植 株 纤 维 素 积
。
皮 层 微 管 的排 列 方 向
白转 化 到
to n
致
。
将 荧光 标 记 的 C O B 蛋
COB
累 的减 少 和 果 胶 质 组 分 的 改 变
2
基 因 突 变株 体 内( 皮 层 微 管 分 布 和 定
,
,
析表 明
,
K
o r
基 因 在所 有 细 胞 中都 表 达
K OR
,
蛋 白质 酶
lh o j
向 发 生 改 变 的突 变株 ) 时 微 管 排 列 发 生 改变
,
活 性 分 析 发现
蛋 白具 有 fl
-
1 4
,
.
葡 聚 糖 酶 的活
o
蛋 白散 落 分 布 在 细 胞 中 因 此 运 输 和 排 列 发 生 极 大 改变
。
性 ( N i c o l 等 1 9 9 8 ) 但 没 有 木 葡 聚 糖 酶 活 ~ (M
同 样 的结 果 在 用 胺 磺 灵 ( o
。
r
y
z a
l i n )处 理
的野
等 2 0 0 1)
(S z y j a
w a
。
筛选 其 他 突 变 体 时 也 发 现
w
Ko
r
基 因 的等
、
生 型 细 胞 中也 可 以看 到
,
这 些 都 表 明微 管 对 C O B
位突变: r s
n o w
2 (L
z
a n e
等
)
、
2 0 0 1 ;S lio
n s
a to
等
2 0 0 1)
a
ir x 2
蛋 白排 列 起 作 用 而 C O B 蛋 白对 微 纤 丝 的定 向 也 有
一
ic
等
2004
o
ta
,
i l ( 1i t ) 和
l te
r e
d
c e
ll
定 的作 用 至 于
,
一
COB
。
蛋 白是 如 何 发 挥 功 能 的 还
,
l l J (a
c w
l ) (M
lho j
等
2002)
这些 表 明它有可 能
。
需要进
3
步研 究
参 与 植物 体 内纤 维 素 的 合 成 过 程
K OR l
,
: 功能性 的 G F P : s o m e
。
纤 维 素 的 合成
融合 蛋 白定 位 于 内涵 体 (e n d o
K OR l
) 和 高尔 基
纤 维 素 合 成 模 型 有 多种 说 法 (D o b l i n 等
J o s hi
2002;
体 上 而 不 是 在 质 膜 上 (R o b e ~ 等
2005)
免疫 共 沉
e s
等 2 0 0 4 ;S a x e n a 等 2 0 0 5 ;S o m
a n s
e r v
i l l e 2 0 0 6 ;J o s h i
淀方法 分析也没 有 见到
A tC
e s
蛋 白和
e s
A tC
A 3
或
。
和
M
fie ld 2 0 0 7 )
一
,
近 年 来普 遍 认 为 高等 植 物 中纤
。
A 6
之 间的相互 作用 (D
p
r e z
等
s
2 0 0 7 )
维素合成 需要
个 复 杂 的酶 系 复 合 体
迄今 已知
,
So
m e rv
i l l e (2 0 0 6 ) 推 测 K O R l
蛋 白是 和 C e
A
蛋 白复
的 纤维 素 合 酶 复 合 体 是 由 6 个 亚 单 位 组 成 呈 玫 瑰
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植物生理 学通 讯 第
44
卷 第4 期
,
200 8
年
8
月
花 状 (r o
,
s e tte
) 结 构 每 个 亚 单 位 由 6 个 C e s A 蛋 白组
,
一
维 素 合 成 的底 物 确
实 是
UDP
.
葡 萄 糖 (L
a
i K
—
e e
.
H im
成 每个 C e s A 蛋 白合 成
条葡 聚 糖 链 这 样
,
一
个复
胞质
~
等 2002)
蔗糖
。
。
植 物 体 内碳 水 化 合 物 运 输 的 主 要 形 式 为
r
合 体 就 可 以合 成 由 3 6 条 糖 链 组 成 的微 纤 丝
。
H a ig le
等 (2 0 0 1 )提 出 U D P 葡萄糖 是 由质 膜
一
内侧 观 察 到 的 纤 维 素 合 酶 复 合 体 直 径 大 小
n lT I ,
,
40
60
定位 的蔗 糖 合 成 酶 ( s u c r o s e
且 传递 给纤维素合酶 的
。
s
y n th a
s e
,
S U S Y )合 成 并 UD PG
足 以保 证 3 6 条 糖 链 的 同 时 生 成 生 成 之 后 的 糖
,
纤 维 素合 酶 结合
。
链 立 刻 结 晶形 成 微 纤 丝 纤 维 素 合 酶 复 合 体 在 细 胞
后 进 而 催 化 合 成 葡 聚糖糖 链 明
,
另外
一
,
还 有证 据 表
膜上 运 动 于 是微 纤丝 得 以延 伸 最 后 停止
,
,
。
纤维
3
纤 维 素链 的起 始 需要 谷 甾醇
s
B
一
葡萄糖甙
e n
素 合 酶 复 合 体 亚 单位 的 精确 组 成 和 结 构 迄 今 还 不 清
(s i t o
te r
。
o
l
—
p
e z
—
g lu
c o s
id
e
,
S G ) 作 为 引 物 (P
g
等
楚 遗 传 学 的证 据 表 明 每 个 亚 单 位 至 少 含 有
, ,
种
20 0 2 ) P
C
.
e s
A
蛋 白( 图 1 )
i K
—
。
a r e
d
等(2
c o n
0 0 6 )用旋转式共聚焦显
l
m
微镜
3 1
纤 维 素 合 成 的底 物
L
a
、
起始
、
延 伸 与终 止
2002
( p in
s
n
in g dis k
w
fo
c a
ic
ro s c o
p
e
) 观 察黄 色 荧 光 蛋 )标 记 的 A t C e s A 6
,
年
,
e e
—
H im
成 功 提 取 了 黑 莓 (R u b u s ( r u
一
t ic o s u s
)
白( y e l l o
f lu
o r e s c e n
t p r o te in
,
Y FP
悬 浮 细 胞 中 的质 膜 他 们 用 U D P 葡 萄 糖 (U D P G ) 为
,
蛋 白在 纤 维 素 合 酶 复 合 体 中 的 运 动 表 明 它 们 的平
底 物 测 到 了其 纤 维 素 合 酶 的 活 性 并 发 现 纤 维 素
,
,
均运 动 速 度 为
上 聚合 30 0
~
330
n m
.
m
in
~
,
估 计每 分 钟每 条糖链
,
合 酶 复 合 体 位 于 新 生 微 纤 丝 链 的非 还 原 端 证 明 纤
,
1 000
。
个葡 萄糖 分子 而 且 这 种 复合 体
可 以 双 向运 动
3 2
.
纤 维 素 的 沉 积 纤 维 素 在 细 胞 壁 内沉 积 不 是 杂
一
乱 无 章 而 是有
,
定 方 向性 和 排 列 方 式
。
在伸 长 的
P de
细胞 中
,
微 纤 丝 的 排 列 是 与 细 胞 伸 长 的 方 向垂 直
,
的
这
。
在 初 生 细 胞 壁 微 纤 丝 排 列 的研 究 中
FP
a r e
z
等 (2 0 0 6 ) 用 Y
一
标 记 的 A t C e s A 6 蛋 白清 楚 地 观 察 到
情 况 并 且 证 明 微 纤 丝 的排 列 受 皮 层 微 管 排 列
, 。
的制 约
4
结语
纤 维 素 是 植 物体 中含 量 最 为丰 富 的 多糖 聚 合
物 也 是 细
胞 壁 的重 要 结构物质 同 时还 是 人 类 所
,
,
需 要 的纤 维 材 料 和 生 物 能 源 原 料
。
研 究纤维 素合
。
成 机 制对 扩 大 生 物 材 料 和 生 物 能源 资源 很 重 要
纤 维 素 合 成 机 制 的研 究 主 要 集 中 在 :用 遗 传 学
方 法 鉴 定 与 之 相 关 的基 因 通 过 基 因 突 变 株 表 型 的
,
鉴 定 和 分 析 阐 明 植 物 体 纤 维 素 合 成 受 阻 的原 因 并
,
查 明 其 中 的 基 因 功 能 ;用 生 物 化 学 方 法 研 究 纤 维 素 合 酶 的 生 化 功 能 :用 细 胞 生 物 学 和 荧 光 共 聚 焦 显 微
镜 的方 法 研 究 纤 维 素 在 细 胞 壁 上 的沉 积 过 程 等
图
蔗糖 合 成 酶 (s
1
。
纤 维 素 合 成 模式
,
尽 管 纤 维 素 合 成 的研 究 已 取 得 了较 大 的进 展
P
一
,
纤 维 素 的合 成 在 质 膜 上 进 行
u s Y )催 化 而 形 成
,
底物为 U D
葡萄糖 可 能是
,
一
但 其合成机制还 需进
合 体 的组 成
、
一
步查 明
s
。
如纤维 素合 酶复
,
蔗 糖 分 解 成 果 糖 和 U D P 葡 萄糖
,
,
结构;除 C e
A
相 关 蛋 白外 是 否 还
后 者 提 供 纤 维 素 合 酶 复 合 体用 于 纤 维 索 的 合 成 单 体 蛋 白合 成
一
其 中每 个
C
一
e s
A
有 其 他 分 子 的 参 与 :纤 维 素 合 酶 复 合 体 是 怎样 调 控
纤 维 素 合 成 并 形 成 不 同 结 构 的 纤 维 素 的 ;C e s A 基 因 是 以超 基 因 家 族 存 在 的 含 有 许 多基 因 成 员 不 同
, ,
条B
一
1 4
,
一
D
一
葡聚糖链
一
,
36
条 葡聚糖链组 成
条 蛋
微纤丝
。
微 纤 丝 在 细 胞 壁 内 的排 列
s
方 面 受皮层 微管和 微管动
b
力蛋 白( k i n e
白) 的 影 响
素的合 成
。
in
)的作用 另
,
一
一
方 面 有 可 能 受细 胞壁 蛋 白 ( 如 C o
o r
还有
些 其 他 膜 蛋 白( 如 K
蛋 白 ) 也 可 能 参与 纤 维
的成 员 基 因 参 与 不 同 组 织
,
、
不 同器 官 或 不 同 细 胞
。
壁 层 次 的 纤 维 素 合 成 它 们 是 怎样 受 调 控 的 ; 其 调
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植 物 生 理 学通 讯 第 4 4卷 第 4期 , 2 0 0 8年 8 月
75 9
控 网络 又是 怎样 影响植 物 生长 与分 化 的 。 阐 明这 些 问题 将 有助 于人 们 了解植 物 生长 发育 的分 子 机 制 , 用现 代基 因工 程方法 , 利 建立 改造 纤维 素含量 和结构 的理论 和技术体 系, 培育速 生优质 的生物 质 新种 质 , 促进 细 胞壁 生物 质 的高 效利 用 。 参 考文献
Ar ol i i T,Pe g L,Be z r AS,Bu n J n t ne r ,W i t ,He t , tke W rh W
V ( 0 2 . nv t
e s s io c l l s c o i r sfo 2 0 ) I i o v ru nv v el o e mir f i r m r u b l
p a tp i r l s n h s s t u t r ldif r nc s J Bi l l n r ma y wa l y t a e :sr c u a f e e e . o
Ch m ,2 :3 93l 3 3 e 77 6  ̄ 69 9
La eDR, id mee Pe gL,HofeH, r etsS De p e n W e e irA, n t Venh te , s r z
T ,Ho a ct DH, ic , a k n T , r E e l 2 0 ) B r h RJ B s i I Bu n J t ( 0 1 . a
Te mpe a u e s n ii le e fRSW2 ln h r t r . e stve a l l s o i k t e KORRI GAN
e d -,- -lc n s ocl ls y tei a dc tkn s n o 14Bgu a aet el oes nh ss n yo iei u s
i ab do i .Pl n hy i l 6:2  ̄2 8 n Ar i ps s a t P s o ,l 2 78 8
L r iia o g K, u gZ (0 3 . h ln aindf cie et ry p n S n 2 0 ) T eeo g to ee tv l p
mu a tofAr bi ps s i mpa r d i h en nc i g a t n a do i s i ie n t e g e e od n
Ca ilr m le iC.Hofe H,Pl zns ,Bic e l( 99 . t a i kiJ r h R ta 1 8)
M o e u a na y i f c lu o e bi s n h s s i a i ps s l c l r a l ss o e l l s o y t e i n Ar b do i .
srn .ih s ce e o en e i e rc e r t d pr t i .Pl n o o .53 8l 9 a t M l Bi 1 :5 5
Sc e c ,2 9:71 ~7 0 in e 7 7 2
Br c r . f o d I o a d Gi r ,Ly c Ga c a M ,M a h ta B,F n e s e n R n h T, r i l or i k lti
Moh j , a a t , f (0 2 . o rsu drtn igte lo P g n S Hot H 2 0 ) T wad n esa dn h M e
r l fme r n - o n n o B l4 g c n s si el l s o eo mb a eb u d e d - - ,- u a a e n c l o e u
bi s n h s s o y t e i .Pl ntCe lPh i ,43 9  ̄1 0 a l ysol :l 9 4 6 3
( 0 4 . h a io ssta i n S I I I I E 2 0 ) T eAr b d p i h l aAB C S C AC D- a NS N-
S T V c se c d s a n v lp o e n m e i tn bs i i c d I I E8 l u n o e o e r t i d ai g a c sc a i o
a d s ga e po e s e t a or g owt n u r r s ns s e s n i lf r h.Pl n l ,1 a tCe l 6:
M oh jM , vk vP Da e a (0 )Chrceiaino lo Uls o , lD g nF 2 0 . aatrzt f 1 o
a f nc i n l s l b e f r of a Br s i a n pu e u t o a o u l o m a s c a s m mbr n - a e
40 6 ̄4 2l
De n s T,Or ov c V ,Be lniC,Kr e b r e ,Ca c , s o b i li on n e g r J bo he M
ac oe n o 1 - -lc n s eeoo o sye pesdi n h rde d - , Bgu a aeh trlg u l x rse n 4
Pi h a pa t i .Pl n y i l 27 c i s ors a t Ph s o ,1 :67 - 4 4- 68
T a sJ r a ,Ho t 9 ) P o u tl mu a t i e t y t fe H f 9 6 , r c se t n s d n i wo l f
di t nc ge etc si t n i pa hw a s ont o l ng t y c r l i hyp ot l el oc y c l e o ga i n e p c i e y i a k a d l tg o a i ps s l n to ,r s e tv l n d r n i - r wn Ar b do i gh
Ni l , sI J u e uA, mh t s , n t Ho t (9 8 . c Hi , a n a Ve et Ca u oF eS H, feH 1 9 )
A ls mba eb u dp tt ee d -,- - - lcn s pama
me rn -o n uai n o 1 B D gu aae v 4
i e ie o o ma l a s mb y a e le o g to n sr qu r d f r n r lwa l s e l nd c l l n a i n i
Ar bi o s s a d p i .EM BO ,l J 7:5 63 55 6 5  ̄ 7
s e ln s e d i g .De l pme t 2 ve o n ,1 2:68 - 3 3- 69
De p e J r n e ,Cr we l EF, ou s r z T, u a i c M o l J y H, c y ov Po h l a Z,Pa c ry
P g n aat S,Bi h tA, u mo o K,L r u e De p e c e S gi t e o x lO, s r z T,M c n Ca n
F Hot Go n a , r h t sS( 0 7 . r a iai n , f H, n e u M Ve n e t 2 0 ) O g n z t e e o
o e l os y t a e c f c lul e s n h s omp e e nv l e n prm a y c l l x s i o v d i i r e l
.
M , r u e P Ve n e t sS Le o g , r h te ,Ho t ( 0 2 . fe H 2 0 ) KOBI OI T
e o es a n e l s a me b a e pr t i e e s r o nc d ov l p a m m rn oenn c sayf r
wa l s n h s s i a i ps s t a i na r c Na l Ac d Sc l y t e i n Ar b do i h la .P o t a i
USA。1 04:1 57 5 2~1 7 55 7 De p e Ve n e t s S a a d M ,Re r g e , s o Al ti s r z T, r h te ,F g r fe i rG De n s T, e t
n r a s t s s f c l u os r ng e l x n i n n o m l yn he i o e l l e du i c l e pa s o i Ar bi o s s a d p i .Pl n l ,1 a t Ce l 4:2 0l 201 0 - 3
P rd zAR S mev l a e e , o r i eCR, h h r t ( 0 6 . s ai ain o l E r a d 2 0 ) Viu l t f D z o
c lu o e s n h s e n ta e u c i na s o i to t e l l
s y t a e d mo s r t s f n to la s c a i n wi h
mi r t b l s c O u u e .Sc e c .31 in e 2:1 91 4 4 ~l 95
E, y N,P l t rS P el i ,Ho t ( 0 2 . ssa c g i s ee fe H 2 0 ) Re it n e a an t
h r c d s x b n a d c lu o e d fc e c us d b i - e bi i e i o a e n e l l s e i i n y ca e y d s
tn tm u a i ns i a ic t to n s me c lu o e s n ha e i o o m e l l s y t s s f r CESA6 . Pl n hy i l 8:4  ̄4 0 a t P s o ,l 2 82 9
P a R,Ka g e Y,S h e k n o tW E, l rDP, t l e e rJ wa o c r c e g s De me S a k rDM
( 9 6 . g e l n s c n a n h mo o so h a t ra 1 9 ) Hi h r p a t o t i o l g f t e b c e il
c l g n se c d n h aa y i u n t fc lu o e s n h s . eA e e n o i g t e c t l tcs bu i o el l s y t a e
P o t Ac d Sc A . :1 63 ~l 6 2 r c Na l a iUS 93 2 7 2 4
Do l , u e J c b Wi Deme b i MS K r kI a o - l D, l rDP(0 2 . l l s n , k 2 0 ) Cel o e u
b o y t e i n pl n s r i s n h s s i a t :f om n s t os te .Pl n l ge e o r e t s a tCe l
Ph s o ,43 4 7-1 20 y il :l 0 4 Ha g e i lrCH, va o a Da c e ,Ho n PS, a n k v VV Hwa g I n v - t h vaM ga S lio n
,
P n C, wa o Ho a , l rD (0 2. i s rlB e gL Ka g eY, g nP Deme 2 0 ) St t o-— oe
g u o i s p i rf rc l o e s n h s si l n s S i n e l c sde a rme o e l s y t e i n p a t . c e c , ul
2 5:1 7 ̄1 0 9 4 5 Pe s on S
,Pa e e ,Ca r l A,Pa s oti r s r d z A rol l d t r H,Dob i , ln M
S M atn L De me , ri K, l rDP ( 0 1 . r o a t i n n o 2 0 ) Cab np ri o i g t t
c lu o e s n h i . a tM o o ,4 e l l s y t ess Pl n lBi l 7:2 -51 9
J s i P Bh n ai , na , l rUC, in F jn , oh , a d r S RajnP Kal i C u La gX, uioT
S mu a A ( 0 4 .Ge o c fc l l s i s n h ss i a g 20 ) n miso el o eb o y t e i n u
po l r .Ne Ph o ,1 4:5 , pas w yt l 6 3- - 6l
P id x e , i o Au rM, o r i eCR ( 0 7 . o n e trP Kh t v N, e S me vl r l 20)
Ge e i vi n e f r t r e u q omp e t n prm a y n tc e de c o h e ni ue c on n s i i r c l— l c lul s yn h s o p e e n Ar i o s s r c e l wa l e l o e s t a e c m l x s i ab d p i .P o
J s i P Ma s ed S ( 0 7 . h el l s aa o —smpe o h , n f l D 2 0 ) T ec l o ep r d x— i l C i u
mo e u e o p ex bi y he i .Cu r Opi l n o ,1 l c l ,c m l os nt s s r n P a tBi l 0
N a lAc d Sc A.1 4:l 56 ~1 5 t a iUS 0 5 6 5 71
R c mo d T ( 0 0 . g e l n el l s y t a e . n me i h n 2 0 ) Hi h rp a t l o e s nh s s Ge o c u
Bi . o1 4:3 01 1 3 0 . ~ 001 6 .
() 3 :22 22 0~ 6
Ki r La i c a , t h T,Cu Li d r CR Br mu a S, osn h i W Io iX, n e own RM r J
,
Ro e tS b r ,Bih tA,Gr n ja c e a de n O,Kir k ws iD,S ta— ez o k ait
J u e ir e n ma te B,
P le i rS, u e - e l te Ha s rM T,Ho e H, r e t s l f Ve nh t e
( 9 9 . mmu o od lb l g o o e t tr n l el l s — 19 ) I n g l a ei fr s t e mia l o e n e c u
s nh szn o l x si h ac lrplntVgn n ulrs y te iig c mp e e nt ev su a a i aa g a i
.
S (0 5. a io sse d — ,-- gu aa eiv le 2 0 ) AnArbdp i n o l BD-lcn s ov d 4 n
i e l l s y t e i n e g e e u a e n r c l l y l g n c lu o e s n h s su d r o sr g l t d i ta e l a c c i ur n
.
Pl ntCe 1 :2 5 08 a l.1 1 07 ~2 5 La - e Hi J Ch n y H,M u l rM i Ke - m , a z le
,
P t u 1 ma T. l n u a xJ i Buo e LI
P a tCe 1 l n l.1 7:3 78 3 9 3  ̄3 8
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76 9
植物生理学通讯 第 4 4卷 第 4 ,2 0 期 0 8年 8月
R u ir , enn e F j a Hi lpc B re o de F ra dzAG, ui F t M, mmesahR, on r GHH,
S hn l a So g S Ba kn TI Du r eP W a t n ysGO c idem n G, n , s i , p e 。 se e
Pl n hys o .1 a tP i 1 42:1 3 2 3-1 45 2
S a o c MJ Mc n o , a lrNG, r ie , av s z jn wizP , Kin nI T yo y Gadn rJ Jr i
MC, u n rS ( 0 4 . e i e ua y e tn sa T r e R 2 0 ) Th g lr lm 2 mu a t r x in
a l l or i a ha f e t h e o a y ce l wa lof l e e of k r g n t t a f c s t e s c nd r l l
e ( 0 5 . OB t 2 0 ) C RA. r bd p i e t c l l l c s l l a n a A a io ss xr el a g y o y — a u r
p 0 p a i y no io ・ c o e r t i ,s c
fc l o t o s h s h td li s t l a h r d p o e n pe i i a l c n r l n y
hi hl n s r i x n i hr ug t nv ve g y a iotop c e pa son t o h is i ol men n ti
c lul e mi r i r l o i n a i e l os c of b i r e t ton.Pl nt Ce l 1 a l。 7: 1 49 7 - 1 763
Ar bi psst a i a. a tJ a do i h lan Pl n ,37 :73 -7 0 0 4 Ta a ,M ur a K ,Ya a ki n ka K at m za M ,Ono a o K ,M i o A , s t ya
Hio h k ( 0 3 . h e it c ie c l l s y t a e r c ia H 2 0 ) T r e d si tr el o e s n s n c u h
c t l tc s b n tg n s r q ie o e l l s y t e i n t e a a y i u u i e e e u r d f r c lu o e s n s si h h
Sao S, t Ka g wa K, s i Li t Kao T, ke a Ih i T, u YG, Awa a Ta a e n oT, k b
K, s i a Ku a S S t t l 2 0 ) Ro e o e Nih y maY, g , ao S e ( 0 1 . l ft a h
pua v mb a eb u d e o一 ,一 — l c a eKORRI tt eme r o n nd 14 B g u a s i n n GAN
i e l e on to nd c lul e s nt s s i ab d ps s n c l l ga i n a e l os y he i n Ar i o i
sc n ay wa 1 P a t h s l 3 1 : 3 8 e o d r l. l n y i ,1 3( ) 7 - 3 P o T yo a lr NG, wel R , t yAK, c e s T re R ( 0 3 . Ho l M Hut s l Vik r K, u n r S 20 )
I t r c i s a on h e i tn t Ce A o e n s e i l n e a ton m g t r e d s i c s pr t i s e s nta
tala a.PlntCelPh i l 2:2 -2 3 h in a l yso ,4 51 6
f rc l l s y t e i . r c Na lAc d S iUS o el
o e s n h s s P o t u a c A,1 0 0:
l 50-l 5 4 45
S x n , o r M ( 0 5 . el l s is nh ss c re t a e aI Br wnJ M R 2 0 ) C l o eb o y t e i: u r n u
v e n v l i o c pt.An iwsa d e o vng c n e s n Bot 6:9 ̄ .9 2l S heb eW R,Es e Rih o D em e c i l h d R, c m ndT, l rD,So r il me v leCR
T yo a l rNG, a r , r e R ( 0 0 . ut l e l l s y — L u i S Tu n rS 2 0 ) M l p ec l o es n e i u
t s t l t u un t r e uie rc l l s yn e i n ha eca a y i s b i a e r q r d f e l o e s t s s i c s o u h Ar d ps s l n l,1 :2 2 25 9 abi o i .P a tCe l 2 5 9- 3
( 0 1 . o iia in fc l l s y t a e c n e e i — 2 0 ) M d fc t s o e l o e s n h s o f rr ss o u
tnc oio a e dtiz ldn n e bcd si a i pss a et s x b na a oi io eh r iie nAr bdo i n h
Ta l r N G,S he bl R ,Cute yo c i eW l r S,S m e v le CR,Tur e o r il n r SR
( 9 9 . h re u a lm3 l c so a i o sse c d s 1 9 ) T e ir g l r e o u f y x Ar b d p i n o e
l l m ut n s Pr c Na l Ac d Sc xr a t. o t a iUSA,9 :1 0 - 4 8 0 79 8 a c lu os y t a e r qu d f r s c n a y c l l l y h e i . e l l e s n s e  ̄e e o d r e l h o wa nt ss s
S t G。 p n eme ( 0 5 . p t l o to f ele p n mi L Op e h i rD 2 0 ) S ai n r l l x a — h ac oc
son b he p a tc t s e e o . i y t l y o k l t n Ann v Ce lDe ol n u Re l
v Bi ,21 : 2 - 71 295
Pl n l.1 :76 -7 9 a tCe 1 1 9 7
Z o g R Bu kD, r s nW , ( 0 2 . kn sn l ep o h n , r Mo r o YeZ 2 0 ) A i e i・i r ・ i k
ti se f o re tdd p sto fc Huo em eo b l eni e s n a f ro ine e o i no e ls r f f s s i l i i i i
a d c l wa l sr n h. a l.1 :31 -31 7 n el l te gt Pl ntCe 1 4 01 1
S me v l ( 0 6 . e ll s y t e i i ih r ln s An u o r i eC 2 0 ) C l o es n s n h g e a t. n l u h s p
Re l v Bi ,2 53 78 v CelDe ol 2: -
Zh n Mo rs n W , r s o rG, h ,Ye Z ( 0 3 . o g R。 rio F e h u Ha n M H 20)
Exp e so fa mu a tf r o elI s y h s Ce A7 r si n o t n o m fe lu o es nta e At s
c us s d m i a tne a i e e e to e l l s os nt s s a e o n n g tv f c n c lu o e bi y he i . Pl n hy i .1 :7 6—7 5 a t P s o1 32 8 , 9
S z k , , u u u i Li S nYH, i gVL( 0 6 . h el ls n a e S L Cha n 2 0 ) T ec l o es t s u yh
g n u ra iy a i h mi a u c i so ylm —p — e e s pef m l nd boc e c lf n ton fx e s e
c fc c lu o e s nt as —i n s i pul s t i h c pa. i el l s y h e l i ke ge e n Po u r c o ar