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吕淑萍等
, 2011,
木质素生物合成相关酶基因调控的研究进展
,
分子植物育种
Vol.9 No.75 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0075)
1547
木质素含量的下降最早在抑制
PAL
表达的转基因烟
草中发现，研究发现当
PAL
的表达受到抑制时，它
们的生长发育亦受到了严重的影响
(
章霄云等
,
2006)
。魏建华等的研究表明：只有
PAL
抑制到一定
程度时才影响木质素的合成，而且抑制
PAL
的转基
因植物木质素含量下降的同时还伴随着植物体非
正常生长
(
魏建华等
, 2001)
。宋福南等
(2009)
对白桦
苯丙氨酸解氨酶
(PAL)
基因的分离及其表达的研究
说明：
PAL
基因在不同组织中的表达是有差异的，
可能行使不同的功能。由于
PAL
可以严重影响植物
的生长发育，所以在改良植物品质提高植物生长的
研究中应该更加重视
PAL
的研究，又由于它在不同
植物和组织中的表达和功能不同，所以研究同一植
物不同组织之中
PAL
的表达和功能，可以更明确地
改良某一植物特定组织的品质。
1.1.2
酪氨酸解氨酶
(TAL)
TAL
也位于苯丙酸途径的入口，与
PAL
不同的
是
TAL
仅存在于禾草类植物中，而且
TAL
催化酪氨
酸脱氨直接生成
4-
羟基肉桂酸。在稻科植物中，木
质素生物合成的一个分支就是酪氨酸在酪氨酸解
氨酶
(TAL)
的作用下转化为对香豆酸，而酪氨酸解
氨酶
(TAL)
是该途径的限速酶，其酶活性随着植株
的肥大生长而随之增大
(
薛永常等
, 2003)
。近来发现
TAL
的
cDNA
在
E
coli.
中表达
,
同时具有
PAL
与
TAL
酶活性
(
杨淑蕙
, 2001)
。因此，在禾本类植物枝干的
粗壮生长时应注重
TAL
的表达对其的影响。
1.2
羟基化反应
羟基化反应的酶催化的是三种木质素单体之
间的转换，控制羟基化反应的关键酶可以改变木质
素的组成，如使
S
-木质素含量升高。此反应涉及肉
桂酸
4
-羟基化酶
(C4H)
、对香豆酸
3
-羟基化酶
(C3H)
、阿魏酸-
5
-羟化酶
(F5H)
、
4
-香豆酸辅酶
A
连
接酶
(4CL)
和莽草酸
/
奎宁酸羟基肉桂酰转移酶
(HCT)5
种酶。
1.2.1
肉桂酸
4
-羟基化酶
(C4H)
C4H
是苯丙烷类代谢途径的第一个羟基化酶，
属于
CYP73
亚家族、与细胞色素
P450
有关的单氧化
酶。
C4H
能利用
PAL
反应产物肉桂酸
,
催化肉桂酸
C4
位置羟基化形成对-羟基香豆酸。
Chen
等
(2007)
用
29
种苯丙烷类似物作为底物对
C4H
进行底物特异性研
究发现，其中
9
种带不同芳香环的苯丙烷衍生物能
够被
C4H
催化使其发生羟基化反应，且具有较高的
催化活性。在杨树中，
C4H
活性与木质素和厚壁组
织相联系，可被真菌处理、真菌感染、受伤及化学
诱导剂所诱导
(Hu et al., 1999)
。
Logemann
等
(1995)
的研究指出在将多酶复合体固定到内质网上的过
程中，
C4H
在其中起着结构支架作用。
1.2.2
香豆酸-
3
-羟基化酶
(C3H)
C3H
是木质素苯丙烷代谢途径中的关键酶之
一，属于细胞色素
P450
单氧化酶，催化对
/
香豆酰莽
草酸
/
奎宁酸
(p-coumaroyl shikimate/quinate)
-咖啡酰
莽草酸
/
奎宁酸
(caffeoyl shikimate/quinate)
的
C3
位置
的羟基化反应。木质素生物合成的第一个有关的步
骤是对羟基苯乙烯酸或它的衍生物盐的羟基化，木
质素生物合成模型认为此步是发生在自由酸水平
是由
C3H
催化的。
Franke
等
(2002)
从拟南芥突变体中
分离到
REF
基因，该基因的原位杂交表明它是
CYP98A3
，实验证明
CYP98A3
就是
C3H
。聂会忠等
(2008)
人对杨树木质素合成酶
C3H
基因的克隆及其
序列分析的研究发现不同物种在长期的进化过程
中，其核酸信息发生了不同进化，
C3H
的遗传特性
也发生了巨大变化，木质素单体在裸子植物、被子
植物中的组成也不同。杨学文等
(2009)
人研究指出：
下调
C3H
的表达既能降低木质素含量又能改变单体
组成，可以大大节约植物造纸成本，提高饲草的适
口性。虽然，我们对
C3H
在木质素合成有了初步研
究和了解，研究它在不同的植物组织器官中将发挥
怎样的作用，会为植物体的综合利用提供帮助。
1.2.3
阿魏酸-
5
-羟基化酶
(F5H)
F5H
催化苯丙烷途径阿魏酸、松柏醛和松柏醇
的不可逆羟基化形成芥子酸，并进行
S
-木质素生物
合成。
Osakabe
等
(1999)
从香枫中得到一种细胞色素
P450
单氧化酶基因，即
F5H
，它能催化松柏醛进行
5
一羟基化反应，介导芥子醛的合成，
Kcat/Km
值显
示，
F5H
对松柏醛的催化效率比催化阿魏酸的高。
付月等
(2006)
在木质素合成酶基因
F5H
的克隆及其
鉴定中指出：
F5H
是
S
-木质素合成中必需的酶基因，
在拟南芥
fahl
突变体中，当
F5H
活性降低时，几乎全
部为
G
-木质素；在转基因拟南芥、烟草与杨树中，
F5H
的过量表达时，
S/G
显著增加。由此可以推断