CAD基因研究进展

1.3.1 CAD 基因的研究进展

在木质素合成途径中，肉桂醇脱氢酶CAD是第一个被研究的酶（Mansell，et al,1974; Wyrambik，et al,1975），它在木质素合成过程中起关键作用，催化香豆醛、芥子醛、松柏醛等肉桂醛生成木质素单体的前体物质。已经有许多CAD cDNA从不同的植物中被克隆出来，到目前为止在NCBI上注册的CAD 的完整mRNA 序列已经接近200条，对CAD基因cDNA 序列分析的结果表明，它们具有高度的同源性。自1992 年，Knight 等(1992)第一个真正的从烟草茎部分离出CAD基因；接着David 等(1992)又从火炬松中分离之；在全基因组已测序出的模式植物中，已经有七十多个CAD 基因进行了鉴定。目前研究结果显示，在大多数的草本植物中含有的CAD 基因种类较多，功能不一。其中拟南芥中有9 个CAD 基因，它们的相似性高达70%，其中的6 个能催化5 种肉桂醛生成肉桂醇，另外3 个催化能力很低且只有在底物浓度很高的时候才表现活性（Sibout，et al,2003; Tavares，et al,2000）；Tobias 和Chowk（2005)研究发现水稻中含有12 个CAD 基因，水稻染色体上9 个不同位点包括12 个基因编码产物截然不同的CAD，其中4 个与木质化相关的基因在同一位点关系密切；Fan 和Shi（2009）研究表明，棉花纤维中含有8 个CAD 基因，其中GhCAD1 和GhCAD6 的同源性最高；Saballos 等（2009）研究报告得知在高粱中有14 个CAD 类似基因，它们分布于染色体的7个不同位点，高粱CAD2 是主要参与木质化的系统发育的CAD 基因，它的基因中包含有3个褐色叶中脉突变体的突变位点。但是木本植物中，Barakat（2009）认为以杨树中研究的最多含有15 个CAD 基因或类似基因，促进木质部生长的CAD 基因包含PtCAD4 和PtCAD10。而且，龚琰和许梦秋（2010）研究结果表明大多数杨树中参与木质素合成的CAD基因在各个组织，如叶、茎、外表皮、木质部等都有表达，但表达水平不同。

CAD是催化木质素前体合成的最后一步的酶，因此降低CAD酶的活性有可能减少木质素前体的合成。Higuchi等（1985）将CAD基因反义转入植株中，木质素含量并不下降，但木质素的组成和化学性质发生了改变。Halpin 等（1994）在转基因烟草中使CAD活性降为野生型的7%，木质素含量未降低，但是在CAD被抑制的转基因杨树中，很容易分离出特殊的红色木质素，且制浆实验的Kappa值降低，说明抑制CAD活性虽然没有降低木质素的总含量，但是改变了木质素的组成结构，有利于脱木质素的制浆化学工艺。Hibino等（1995）将CAD基因反义导入烟草中，CAD的活性降低了55%和20%，而羟基肉桂醛基团增加很多。Baucher等（1996)将从杨树中分离出来CAD基因，用农杆菌转化法将CAD基因反义转入杨树中，结果表明在木质部组织中与对照相比CAD活性下降70%，而木质素含量和组成并未下降，但是在CAD活性被抑制的转基因杨树中，产生了很容易分离出特殊的红色木质素，这说明抑制CAD活性虽然木质素总量没有明显降低，但抑制CAD活性能够使木质素结构发生改变，这与Halpin的研究相同也同样有利于脱木质素的制浆化学工艺。MacKay 等（1997）和Stewart 等（1997）分别在松树null突变体和降低CAD活性的植株中证明了松柏醛参入木质素中。Yahiaoui 等（1998）将CAD基因反义导入烟草中，转基因烟草早期CAD有明显降低，也就表明可以通过降低或提高CAD活性，来控制木质素的合成量。Pilate等（2002）检测生长4年的转基因杨树，结果也表明CAD活性降低仅能使木质素含量微弱降低，但改变木质素组分，有利于制浆造纸，因此，也明显改善转基因杨树的制浆造纸性能。Thakur 等（2012）将带有反义CAD的npt-II基因转入杨树，4个月后比未转入的木质素含量下降了3-4%。

001马尾松CAD和CCoAOMT基因的克隆与表达分析_张逢凯