植物角质层对非生物逆境胁迫响应研究进展

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中国生物工程杂志 Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＢ ｉ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０Ｎ ｏ ． ８２ ０ １ ０
成相关的基因在野生型和转基因植株中表现不同水平 的调控， 推测 Ａ ｔ Ｍ Ｙ Ｂ ４ １基因是角质层代谢合成有关的
２ ７ ］ ｕ ｒ ｄ ｙ ｕ ｋ ｏ ｖ 等［ 在拟南芥 ｂ ｄ ｇ突变体研究 转录因子。 Ｋ
１ ］ 受抑制等 ［ ， 从而影响植物的生长乃至存活。如何减
１ 角质层组成及其合成
角质层包括蜡质和角质。角质层蜡质是由一系列 疏水性化合物组成的混合物， 主要成份有长链脂肪酸 及其衍生物如烷烃、 醛、 伯醇、 仲醇、 酮类和酯类， 另外 也包含少量其它的化合物如三萜系化合物和甾醇类物
３ ５ ］ 质等 ［ 。植物表面蜡质可形成有多种形态结构的晶
株， 显示许多和一些蜡质突变体相似的性状， 如角质层 的间断， 形状不规则， 干旱敏感性增强， 叶表面渗透性 增大。水分散失实验表明， 相对于野生型离体叶， 转基 ｈ ， 转基因 因植株离体叶水分散失快得多。离体处理 ２ 植株离体叶的湿重散失了 ８ ０ ％， 而野生型离体叶只散 失了 ３ ５ ％。另外还发现编码膜相关蛋白和与角质层合
是通过这个途径合成的， 其中， 次级醇和酮类物质合成 需要烷烃羟化酶参与。有研究表明 Ｃ Ｅ Ｒ １和 Ｃ Ｅ Ｒ ３与
７ ８ ］ 。 烷烃类物质合成有关 ［
角质作为角质层的另一主要组成部分， 主要是由 羟基脂肪酸和环氧脂肪酸分子间聚酯化形成的一类不
收稿日期： ２ ０ １ ０ ０ １ ２ ５ 修回日期： ２ ０ １ ０ ０ ４ ２ ４ ２ ０ ０ ９ Ｚ Ｘ ０ ８ ０ ０ １ 国 家 转 基 因 生 物 新 品 种 培 育 科 技 重 大 专 项 （ ０ ２ ６ Ｂ ） 、 湖南省科技重大专项（ ２ ０ ０ ９ Ｆ Ｊ １ ０ ０ ４ １ ）资助项目 电子信箱： ｘ ｉ ｎ ｂ ｏ ｃ ｈ ｅ ｎ ＠ｌ ｉ ｖ ｅ ． ｃ ｎ 通讯作者，
溶于有机溶剂的聚合物（ 主要是 Ｃ 和Ｃ ） 。角质合成 １ ６ １ ８ 的前体主要来自质体中从头合成的 Ｃ Ｃ １ ６ ： ０软脂酸、 １ ８ ： ０ 硬脂酸和 Ｃ 油酸。前体物质在脂酰辅酶 Ａ的作用下 １ ８ ： １
２ ０ １ ０ ， ３ ０ （ ８ ）
许发喜 等： 植物角质层对非生物逆境胁迫响应研究进展
ｗ ｓ ｌ １ 的变化但蜡质含量急剧下降。干旱处理实验表明， 突变体植株比野生型植株的抗旱能力降低， 证明蜡质 含量降低可影响植株的抗旱能力。 许多研究表明， 在干旱胁迫条件下可诱导植物蜡 质合成相关基因的表达， 通过增加蜡质合成， 提高表面 ａ ｍ ｅ ｒ ｏ ｎ等 蜡质含量来应对干旱。 Ｃ
［ １ ４ ］
摘要 角质层， 包括角质和蜡质， 是主要由脂肪酸及其衍生物构成的覆盖在植物的外表面的高度 疏水层， 在植物生长发育过程中起到非常重要的保护屏障作用。除了在极端温度、 干旱、 高盐等 多种非生物逆境胁迫下起到保护作用外， 还能够保护植物内部组织免受细菌、 真菌病原体的侵 染。现就植物角质层的组成、 合成途径以及与植物抗逆性， 特别是与抗旱能力的关系方面的最新 研究进展进行了综述。 关键词 角质层 角质 蜡质 非生物逆境
３ 角质层结构与植物抗旱能力的关系
许多实验结果证明，角质层的结构也与植物抗旱
８ ］ 有关。Ｃ ｈ ｅ ｎ 等［ 在拟南芥 ｗ ａ ｘ ２突变 体 中 发 现， 由于
定期给烟草断水
处理后， 发现与蜡质转运有关的脂质转移蛋白（ Ｌ Ｔ Ｐ ｓ ） 表达增加了 ６倍， 蜡质含量增加 １ ． ５～ ２ ． ５倍， 叶表面气 孔导度降低， 蜡质含量与叶表面电导率有负相关性， 说 明蜡质含量增加可降低叶表面通透性， 这可能降低表
［ １ １ ］
转基因紫花苜蓿植株中发现， 干旱条件下转基因植株 相对于野生型而言有 着 更 高 的 相 对 含 水 量 和 叶 片 水 势， 蜡质含量增加， 增强了植株的抗旱性。蜡质含量可
２ ４ ］ Ｂ ｕ ｒ ｏ ｗ等 ［ 从辐射诱 能还与植物夜间蒸腾作用有关，
变的高粱 Ｋ Ｆ Ｓ ２ ０ ２ １突变体中发现蜡质含量降低， 叶片 夜间蒸腾作用提高了 ３到 ６倍。同时他认为表皮蜡质 总量与表皮渗透以及电导率有负相关性， 蜡质含量减 少， 其叶片渗透性增大， 水分散失加快， 从而使植株抗 旱能力下降。 有研究推测植物抗逆能力下降， 是因为角质和蜡
中图分类号 Ｑ ９ ９ ８ ． １ １ ３ 干旱和高盐等非生物逆境是影响作物增产的最重 要因素之一， 特别是在发展中国家， 非生物逆境严重限 制作物生长和生产。这些非生物逆境会引起植物体本 身一系列生理生化水平和细胞分子水平上的变化， 如 干旱可导致植物细胞失水， 造成细胞膨压完全丧失， 甚 至死亡。冻害可能造成植物细胞的机械伤害， 引起细 胞膜的膜脂相变而失水。盐害除渗透胁迫外， 同时还 伴有离子毒害， 造成植物细胞内酶类的伤害、 植物生长
１ ５ ］ ｏ ｓ ｍ ａ 等［ 报道了拟南芥断水 ８天 面水分蒸发速率。Ｋ
Ｗ Ａ Ｘ ２基因功能缺失导致表皮的膜的厚度和结构发生 显著改变， 植物保水能力下降。通过基因工程手段提 Ａ Ｘ ２基 因 的 表 达 有 可 能 提 高 植 物 抗 旱 能 力。 高Ｗ
２ ６ ］ Ｃ ｏ ｍ ｉ ｎ ｅ ｌ ｌ ｉ 等［ 发现转 Ｃ ａ Ｍ Ｖ３ ５ Ｓ ∶ Ａ ｔ Ｍ Ｙ Ｂ ４ １拟 南 芥 植
６ ］ ； 二是脱羰途径， 次级醇和酮类物质主要 酶 Ａ还原酶 ［
少这些非生物逆境对植物的伤害， 提高植物的抗逆能 力， 已成 为 目 前 农 业 生 物 科 研 工 作 者 的 一 项 重 要 课
２ ］ 题［ 。角质层覆盖在植物最表层， 是所有陆生植物最
重要的保护层之一， 能够使其地上组织适应干旱的环 境及其它非生物和生物逆境。角质层蜡质嵌入或沉积 在角质基质中， 具有许多重要的生理生化特性， 如控制 植物蒸腾 作 用， 防 止 植 物 表 面 水 分 散 失 及 病 菌 侵 染。 近年来随着植物分子生物学技术和植物功能基因组研 究的发展， 克隆了许多角质层蜡质基因， 在植物角质层 的结构组成与生物学功能， 特别是植物蜡质基因在植 物耐旱等抗逆性方面的作用有了较深入的认识。
后， 其叶 片 蜡 质 含 量 相 对 于 没 有 处 理 的 植 株 增 加 了 ７ ５ ％， 双子叶和禾本科植物干旱处理后也出现了类似 的变化
［ １ ６ ２ １ ］
。Ｉ ｓ ｌ ａ ｍ等
［ ２ ２ ］
报道了 Ｇ ｌ ｏ ｓ ｓ ｙ １基因家族中的
Ｏ ｓ Ｇ Ｌ １ ２与蜡质合成有关。该基因家族在水稻不同组 织和器官中表达水平存在特异性， 大多数都能被非生
２ ３ ］ 能力。Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ 等［ 在由 Ｃ Ｅ Ｒ ６启动子驱动 Ｗ Ｘ Ｐ １表达的
２ 角质层蜡质在植物抗旱中的作用
近年来克隆了许多角质层蜡质基因
［ ９ ］
， 我们对蜡
质基因的功能有了一定的认识， 发现蜡质基因与植物 抗逆性有关， 特别是在植物耐旱方面。 Ｃ ｈ ｅ ｎ等
［ １ ０ ］
中国生物工程杂志 Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＢ ｉ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， ２ ０ １ ０ ， ３ ０ （ ８ ） ： １ ２ ６ １ ３ ０
植物角质层对非生物逆境胁迫响应研究进展
许发喜 刘翠芳 邹 杰 王育华 李 尉 陈信波 （ 湖南农业大学作物基因工程湖南省重点实验室 长沙 ４ １ ０ １ ２ ８ ）
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通过羟基化和环氧化作用合成角质单体， 角质单体合 成还需要脂氧化酶和环氧化酶的参与。带有酰基辅酶 Ａ的角质单体在酰基辅酶 Ａ ： 角质转运酶的作用下与脂 聚合物的游离羟基分子结合， 从而形成角质聚合物。
Ｏ ｓ Ｇ Ｌ １ ２过表达转基因水 物逆境诱导。和野生型相比， 稻叶片蜡质晶体增多， 角质层变厚， 而ｏ ｓ ｇ ｌ １ ２突变体水 稻中蜡质晶体少， 外表角质层薄。叶绿素浸提实验显 示在过表达和突变体中角质渗透率分别降低和增高， 通过 Ｇ Ｃ Ｍ Ｓ 进行蜡质成分定性分析发现突变体中蜡质 总量减少， 过表达植株中蜡质总量增加。相对于过表 达植株和野生型植株， 突变体在生殖期对干旱逆境更 Ｌ １ ２基因在植株生殖期抗旱方面起着非 加敏感， 表明 Ｇ 常重要的作用。修饰这个基因有可能改善水稻的抗旱
２ ５ ］ 质单体减少引起的，Ｐ ａ ｎ ｉ ｋ ａ ｓ ｈ ｖ ｉ ｌ ｉ 等［ 推测 ｄ ｓ ｏ 突变体
克隆了调控蜡质基因表达的转录因子
Ｘ Ｐ １ ， 发现在过表达 Ｗ Ｘ Ｐ １基因的苜蓿中， 蜡质 基因 Ｗ 晶体增多， 蜡 质 含 量 增 加， 水分散失和叶绿素速率减 慢， 植物保水能力增强， 同时还证明蜡质含量增加能减 缓干旱条件下叶片的萎蔫速度， 增强了植株的耐旱能
中发现， Ｂ Ｄ Ｇ基因是蜡质合成抑制子， 并且可能与角质 Ｂ Ｄ Ｇ基因功能缺失， 植株表面层 层和细胞壁形成有关， 变厚并导致蜡质合成相关基因 Ｃ Ｅ Ｒ １和 Ｓ Ｈ Ｎ １ ／ Ｗ Ｉ Ｎ １表 达上升， 蜡质含量上升， 但由于突变体角质层不规则， 结构发生变化， 叶绿素浸提速率加快， 植株保水能力下 降。同样 Ｓ ｃ ｈ ｎ ｕ ｒ ｒ 等
５ 展 望
当前， 干旱等非生物逆境严重影响作物的生长发 育和生产， 培育耐逆性作物成为目前急需解决的一个 问题。植物角质 层 不 仅 对 植 物 抗 旱 起 非 常 重 要 的 作 用， 还能保护植物免受高温、 低温、 高盐等多种非生物 逆境胁迫的伤害， 所以研究植物角质层对非生物逆境 的作用及角质和蜡质合成的分子机制， 具有重要的理 论意义和应用价值。 目前已经克隆了一些与角质和蜡质合成相关的基 因， 但角质和蜡质合成涉及大量的基因和复杂的合成 过程， 还有大量与角质和蜡质合成及调控相关基因未 克隆鉴定。目前克隆的与角质和蜡质合成相关的基因 大部分也仅仅是了解与组分、 含量或结构等表型变化 有关， 具体作用机理尚不清楚。目前需要利用各种功 能基因组研究手段大规模克隆鉴定更多与植物角质和 蜡质合成相关的基因。利用 Ｒ Ｎ Ａ ｉ 、 过表达转基因植物 及Ｔ Ｄ Ｎ Ａ 插入突变体研究植物角质层作用， 鉴定和筛 选能显著提高植物对逆境的耐受性的关键基因， 为提 高重要 作 物 对 非 生 物 逆 境 的 耐 受 性 提 供 新 的 研 究 策略。
功能性缺失是因为角质和蜡质单体的转运蛋白减少使 烷烃） 植物表面角质和蜡质单体含量下降（ 特别是 Ｃቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ２ ９
１ ５ ］ ｏ ｓ ｍ ａ 等［ 还报道了干旱处理后造成蜡质含 造成的。Ｋ
量变化最大的原因是 蜡 质 成 分 中 的 烷 烃 含 量 急 剧 上 升， 推测植物主要是通过大量合成烷烃从而增加蜡质 含量来应对外界干旱环境。
１ ２ ］ 力。Ｗａ ｎ ｇ等 ［ 用电镜扫描叶表面发现过表达
Ｏ ｓ Ｗ Ｒ Ｋ Ｙ ８ ９的转基因水稻的蜡质堆积比 Ｒ Ｎ Ａ ｉ 植株高， 叶绿素浸提率慢， 增强了植物保持水分的能力， 认为过 ｓ Ｗ Ｒ Ｋ Ｙ ８ ９基因具有提高植物抗旱性的能力。 Ｙ ｕ 表达 Ｏ
１ ３ ］ 等［ 发现水稻 ｗ ｓ ｌ １突变体的蜡质组成成份没有明显
发现一个自发枯萎病大麦 ｅ ｉ ｂ ｉ １突 变
体， 其叶绿素浸提速率比野生型植株快得多， 说明突变 体的角质层缺失。另外还发现突变体的蒸腾速率与叶 绿素浸提率的相关性高于与气孔密度的相关性， 推测 水分散失加快主要是由于角质层的变化导致表面渗透 增大引起的， 表明角质层对植物保持水分起着重要作 用。Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ 等
体， 其中片状和管状是最主要的类型。不同植物物种、 同一物种的不同组织器官其蜡质晶体形态结构有所不 同。蜡质合成是在表皮细胞完成的一个非常复杂的过 程， 需要多种酶参与。蜡质合成过程具体可分为三步， 即： 质体内 Ｃ Ｃ 酰基链脂肪酸的从头合成、 内质网中 １ ６ １ ８ Ｃ Ｃ 脂肪酸延长至 Ｃ Ｃ 长链脂肪酸和内质网中长 １ ６ １ ８ ２ ０ ３ ４ 链脂肪酸衍生物的合成。蜡质成份合成主要有两种途 径： 一是脱酰基途径， 该途径主要是合成初级醇和蜡酯 类物质， 目前已证明 Ｃ Ｅ Ｒ ４是初级醇合成所需的脂酰辅