论文部分内容阅读
摘要 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。
关键词 植物；表皮蜡质；蜡质合成；WIN1过表
中图分类号 Q944.65 文献标识码A文章编号1007-5739（2008）11-0104-01
植物的表皮位于表皮细胞的外面，由沉积的角质层和蜡质组成。角质层实质为网状结构，在形成过程中蜡质填充其间，这些填充在角质层网状结构内的蜡层被称为内蜡质层；在角质层外又形成只有蜡质成分的结构，为外蜡质层，外蜡质层一般会形成自我组装的蜡质晶体。不同物种的蜡质含量、成分和形态结构都有差异，同一植株不同组织器官、不同生长时期的蜡质分布和表达也会有所不同。另外，环境因素也会使植物蜡质含量和成分发生改变，诱導特异蜡质成分的生成。过去几十年里，关于蜡质成分、形态结构和生理的研究较多，取得了很大的进展。近年来，与表皮蜡质相关的分子生物学研究有了大量报告，已经从拟南芥、玉米等植物中克隆了一些与蜡质相关的基因，这为阐明蜡质组分的生理生化作用和分子机制打下了基础。
1植物表皮蜡质的成分
蜡质是一类有机混合物的总称。采用质谱—气相色谱技术，目前总共鉴定出了100 多种组分，这些成分主要是脂肪族化合物、环状化合物以及甾醇类化合物等。脂肪族化合物是植物表皮蜡质最常见的组分，包括长链脂肪酸、醛、伯醇和仲醇。一般脂肪酸化合物的碳链较短，其长度一般在18～36个碳原子之间，最少的仅为12个碳原子。而蜡质酯类的碳链较长，有的甚至达到60 个碳原子。环状化合物和甾醇类等有机物在植物表皮蜡质中比较少见，但在某些植物中是表皮蜡质的主要成分。
2表皮蜡质的合成
蜡质合成是在植物表皮细胞中进行的，这是一个在不同的细胞器中、由多个酶参与的复杂过程。用同位素示踪和质谱—气相色谱等技术，已经基本阐明了几个物种中表皮蜡质合成的生物化学通路。大多数植物蜡质的合成有2条基本途径：脱羰途径和酰基还原途径。脱羰途径生成醛、烷烃、次级醇和酮，而酰基还原途径生成初级醇和蜡酯。植物表皮蜡质成分的主要合成过程至少需要30 多个酶催化形成。
3蜡质分子生物学
随着分子遗传学突飞猛进地发展，蜡质的分子遗传方面的研究也逐渐深入。有研究利用系统功能基因组学方法，分离到一个转录因子，它的过量表达可显著提高转基因植物中蜡质的积累，同时还会使蜡质合成途径中基因的表达量升高。这个转录因子被称为WAX INDUCER1（WIN1），它是一种乙烯应答型转录因子，含有1个内含子，它与由基因At5g11190和At5g25390编码的蛋白关系密切，相互之间有很高的同源性。
3.1拟南芥中过表WIN1的表型
在拟南芥中过表WIN1后可引起光滑的叶表面和叶茎表皮蜡质积累量明显增加，产生类似平盘状、长约1～2μm的蜡质结晶，在一定程度上渗透性增强。除了蜡质表型不同外，在生长和发育上也有改变。一般情况下，过表型比野生型对照形态小，生长缓慢，开花延迟，常产生雄性不育花，所以产生的种子数较少，而形态学表型和蜡质积累量与WIN1在植株中的表达水平有关。
3.2拟南芥过表型中蜡质成分的改变
过表植物会优先引起叶中脱羰途径产物、烷烃比例和醛含量增加，初级醇比例和酸含量下降。同时，研究表明转基因植物表皮蜡质的内侧和外侧组成成分不同。
3.3WIN1对蜡质合成基因的影响
通过对从拟南芥、玉米和大麦中克隆的一些与蜡质相关的基因的核苷酸和蛋白序列以及突变体的蜡质组分的分析，推测这些基因可能的作用。在这些推测的功能基因中，一些基因可能是蜡质合成酶基因，如CER1；一些可能是蜡质合成的调节基因，如CER3。CER6是目前唯一研究得较为清楚且功能明确的蜡质基因，它是延长C24超长链脂肪酸必需的基因。CER6在拟南芥整个生育期都有很高的表达量，而且仅在表皮细胞中表达，唯一例外的是将要成熟的花粉中CER6的mRNA是在绒毡层中表达的。一些植株CER6的过量表达导致拟南芥茎表皮蜡质含量增加，所以可以判断CER6的表达水平是拟南芥茎表皮蜡质积累的控制因素之一。而在WIN1过表的植株中，这些蜡质合成基因被诱导，其中CER1的变化最明显，KCS1和CER2也显著增加。
3.4WIN1的主要表达部位
为了确定WIN1表达的部位，利用半定量RT-PCR测量WIN1在不同组织中的表达水平，结果发现WIN1在花中的表达水平比在其他组织中要高，也可以在茎、长角果和莲座叶中观察到水平很低的表达量，在刚发芽的幼苗中也有较弱的表达量，但没有检测到WIN1在根中或胚胎时期的表达。
4展望
目前蜡质的成分和形态结构有了较多的研究结果，已经对很多植物蜡质的形态结构和成分做了测定，这为深入研究蜡质的作用机理奠定了坚实的基础。现已克隆了一些与蜡质相关的基因，但这些基因与突变体数量和多种蜡质成分相比远远不够，所以通过分子遗传学途径阐明蜡质的生物学作用还比较困难。已有结果显示，蜡质分子不仅作为植物抵抗外界环境的屏障，而且也可能在植物发育过程中作为信号分子或信号分子的中间物质调节植物细胞的分化。过量表达蜡质相关转录因子能显著提高植物的抗旱性，为改良作物抗性提供了新的途径。作物表皮蜡质白霜性状与作物水分利用效率、产量、收获指数和角质蒸腾等都有较好的相关性，但关于这些问题的资料还比较少，而且缺乏系统的研究论证。
关键词 植物；表皮蜡质；蜡质合成；WIN1过表
中图分类号 Q944.65 文献标识码A文章编号1007-5739（2008）11-0104-01
植物的表皮位于表皮细胞的外面，由沉积的角质层和蜡质组成。角质层实质为网状结构，在形成过程中蜡质填充其间，这些填充在角质层网状结构内的蜡层被称为内蜡质层；在角质层外又形成只有蜡质成分的结构，为外蜡质层，外蜡质层一般会形成自我组装的蜡质晶体。不同物种的蜡质含量、成分和形态结构都有差异，同一植株不同组织器官、不同生长时期的蜡质分布和表达也会有所不同。另外，环境因素也会使植物蜡质含量和成分发生改变，诱導特异蜡质成分的生成。过去几十年里，关于蜡质成分、形态结构和生理的研究较多，取得了很大的进展。近年来，与表皮蜡质相关的分子生物学研究有了大量报告，已经从拟南芥、玉米等植物中克隆了一些与蜡质相关的基因，这为阐明蜡质组分的生理生化作用和分子机制打下了基础。
1植物表皮蜡质的成分
蜡质是一类有机混合物的总称。采用质谱—气相色谱技术，目前总共鉴定出了100 多种组分，这些成分主要是脂肪族化合物、环状化合物以及甾醇类化合物等。脂肪族化合物是植物表皮蜡质最常见的组分，包括长链脂肪酸、醛、伯醇和仲醇。一般脂肪酸化合物的碳链较短，其长度一般在18～36个碳原子之间，最少的仅为12个碳原子。而蜡质酯类的碳链较长，有的甚至达到60 个碳原子。环状化合物和甾醇类等有机物在植物表皮蜡质中比较少见，但在某些植物中是表皮蜡质的主要成分。
2表皮蜡质的合成
蜡质合成是在植物表皮细胞中进行的，这是一个在不同的细胞器中、由多个酶参与的复杂过程。用同位素示踪和质谱—气相色谱等技术，已经基本阐明了几个物种中表皮蜡质合成的生物化学通路。大多数植物蜡质的合成有2条基本途径：脱羰途径和酰基还原途径。脱羰途径生成醛、烷烃、次级醇和酮，而酰基还原途径生成初级醇和蜡酯。植物表皮蜡质成分的主要合成过程至少需要30 多个酶催化形成。
3蜡质分子生物学
随着分子遗传学突飞猛进地发展，蜡质的分子遗传方面的研究也逐渐深入。有研究利用系统功能基因组学方法，分离到一个转录因子，它的过量表达可显著提高转基因植物中蜡质的积累，同时还会使蜡质合成途径中基因的表达量升高。这个转录因子被称为WAX INDUCER1（WIN1），它是一种乙烯应答型转录因子，含有1个内含子，它与由基因At5g11190和At5g25390编码的蛋白关系密切，相互之间有很高的同源性。
3.1拟南芥中过表WIN1的表型
在拟南芥中过表WIN1后可引起光滑的叶表面和叶茎表皮蜡质积累量明显增加，产生类似平盘状、长约1～2μm的蜡质结晶，在一定程度上渗透性增强。除了蜡质表型不同外，在生长和发育上也有改变。一般情况下，过表型比野生型对照形态小，生长缓慢，开花延迟，常产生雄性不育花，所以产生的种子数较少，而形态学表型和蜡质积累量与WIN1在植株中的表达水平有关。
3.2拟南芥过表型中蜡质成分的改变
过表植物会优先引起叶中脱羰途径产物、烷烃比例和醛含量增加，初级醇比例和酸含量下降。同时，研究表明转基因植物表皮蜡质的内侧和外侧组成成分不同。
3.3WIN1对蜡质合成基因的影响
通过对从拟南芥、玉米和大麦中克隆的一些与蜡质相关的基因的核苷酸和蛋白序列以及突变体的蜡质组分的分析，推测这些基因可能的作用。在这些推测的功能基因中，一些基因可能是蜡质合成酶基因，如CER1；一些可能是蜡质合成的调节基因，如CER3。CER6是目前唯一研究得较为清楚且功能明确的蜡质基因，它是延长C24超长链脂肪酸必需的基因。CER6在拟南芥整个生育期都有很高的表达量，而且仅在表皮细胞中表达，唯一例外的是将要成熟的花粉中CER6的mRNA是在绒毡层中表达的。一些植株CER6的过量表达导致拟南芥茎表皮蜡质含量增加，所以可以判断CER6的表达水平是拟南芥茎表皮蜡质积累的控制因素之一。而在WIN1过表的植株中，这些蜡质合成基因被诱导，其中CER1的变化最明显，KCS1和CER2也显著增加。
3.4WIN1的主要表达部位
为了确定WIN1表达的部位，利用半定量RT-PCR测量WIN1在不同组织中的表达水平，结果发现WIN1在花中的表达水平比在其他组织中要高，也可以在茎、长角果和莲座叶中观察到水平很低的表达量，在刚发芽的幼苗中也有较弱的表达量，但没有检测到WIN1在根中或胚胎时期的表达。
4展望
目前蜡质的成分和形态结构有了较多的研究结果，已经对很多植物蜡质的形态结构和成分做了测定，这为深入研究蜡质的作用机理奠定了坚实的基础。现已克隆了一些与蜡质相关的基因，但这些基因与突变体数量和多种蜡质成分相比远远不够，所以通过分子遗传学途径阐明蜡质的生物学作用还比较困难。已有结果显示，蜡质分子不仅作为植物抵抗外界环境的屏障，而且也可能在植物发育过程中作为信号分子或信号分子的中间物质调节植物细胞的分化。过量表达蜡质相关转录因子能显著提高植物的抗旱性，为改良作物抗性提供了新的途径。作物表皮蜡质白霜性状与作物水分利用效率、产量、收获指数和角质蒸腾等都有较好的相关性，但关于这些问题的资料还比较少，而且缺乏系统的研究论证。