-
摘要
:
从木质素的分
类分布，木质素合成过程中相关酶类，木质素研究方法及木质素与梨
果实石细胞形成的关
系方面对木质素的研究进展作了综述介绍。并对木质素研究方向作了
展望。
关键词：
木质素；苯丙氨酸解氨酶；肉桂酸脱氧酶
；过氧化物酶；水杨酸
The metabolic
relationship between Synthesis of lignin-related
enzyme and phenolic
Dong Qianwen
Abstract
：
Lignin,which
plays an important role in pulping industry,
represents 15%~36% of dry
weight
of
wood
and
is
amajor
component
second
to
cellulose.
Lignin
content
and
its
related
enzyme
activity
were
highly
correlated
with
plant
growth
，
antidisease
ability
,
adverse
resistance
。
The
lignin in pasture also effect the ability to
digest of plant-eating animals. In paper
made
industry
，
lignin
dispose
was
the
main
source
of
environmental
pollution.
This
article
commented
on
the
studies
on
the
metabolic
relationship
between
Synthesis
of
lignin-related
enzyme
such
as
Phenylalanine
ammonia-lyase,
Cinnamic
acid-enzyme,
Peroxidase
and
and
phenolic such as
salicylic acid .Also
，
the
prospects for control the compound of lignin are
put
forward
．
Keywords
:
lignin;Phenylalanine
ammonia-lyase(PAL)
acid-
enzyme(CAD);Peroxidase(POD); salicylic acid(SA)
;
Cinnamic
前言
:
木质素
(Lignin)
是维管植物进化过程中的一种结构产物之一
,
在细胞壁木质
化过程
中
,
逐步渗入到细胞壁
,
填充于纤维素构架内
,
加大了细胞壁的硬度
,
增强了细胞的机械支
< br>持力或抗压强度
,
促进机械组织的形成
< br>,
有利于巩固和支持植物体及水分输导等作用
[1]
。同
时
,
由于木质
素具不可溶性及多酚类物质的化学特性
,
也增强了植物的抗病能
力
;
对用作燃
料的木材来说
,
高木质素含量的木材能释放较多的热量
[2]<
/p>
。木质素是膳食纤维
(Dietary
fibres,D
F)
中的
.
重要组成部分，
它能够改变肠道系统中微生物
的活性、
降低肠运转时间、
降低血中胆固醇和高血糖含量、延缓
营养吸收时间、降低结肠、抑制癌细胞活性，甚至具
有维持适当体重的生理和治疗功效<
/p>
[3][4]
。但从另一角度看
,
木质素对人类生产实践活动产生
一些负面影响
,
如木质素含量的牧草会影响草食动物的消化
;
而对造纸用木材来说
,
木质素
是影响造纸工艺和纸张质量的主要因素之一
[5]
。因此有关木
质素的研究受到许多学者的关
注，现仅就木质素合成相关酶、酚的代谢关系做一介绍。<
/p>
1
木质素
1.1
木质素的种类和分布
木质素在木材中是仅次于纤维素的主要成份
,
是
由三种醇单体或单木质酚如香豆醇、
松柏醇和芥子醇等合成的一种复杂的酚类聚合物。<
/p>
通常占木材干重的
15%~36%,
贮存
于次生
厚组织中
,
与植物的硬度和防水
作用密切相关。
木质素不是单一的结构
,
而是一组相关联的苯基丙烷单元———称为木质素单体
(m
onolignol),
通过一定方式聚合一起的总称
,
是芳香类物质的高聚物
,
到目前为止尚未有<
/p>
任何办法能从植物中分离出完全没有变化的原木质素。其单体主要分为
:
由香豆醇衍生的
对苯基单体
(H
型
)
、由松柏醇衍生的愈创木基单体<
/p>
(G
型
)
和由芥
子醇衍生的紫丁香基单体
(S
型
)
等三类。
H
型主要存在于禾本科植物中
,S
型主要存在于被子植物中
,G
型则广布于裸
子植物和被子植物中。
木质素是属细胞壁的次生结构之一
,
主要贮存于
细胞中
,
其结构方式和含量依不同的
种
类、个体、组织、细胞类型、细胞层以及环境条件而变化的
,
在
垂直分布上木质素含量
随高度的增加而逐渐降低
;
在径向分布上对针叶树是心材比边材少、秋材比春材少
,
而在阔
叶树中则没有显著差异。
1.2
木质素的作用
木质素在土壤中降解为腐殖质，有利于改善土壤结构，提高土壤肥力，促进化学肥料
的有效利用，加速植物细胞繁衍，提高植物的生命活动，进一步达到促长、增产的作用。
木质素在植物体的形态建成、抗性诱导等方面具有重要
的生理功能，开展木质素合成
代谢规律及其调控的研究具有十分重要的理论价值和应用意
义。
木质素及其生理功能的具体应
用涉及到很多方面。利用木质素的抗性功能，可以使羟
自由基、壳聚糖等诱抗剂来诱导木
质素的合成，从而提高植物的抗性。利用外源木质素对
植物生长发育的作用，可以制造新
型生物肥料。利用生物工程手段生产低木质素含量的树
木，可望从源头解决造纸制浆过程
中的工业污染问题。同事同时，利用纸浆中的木质素还
可以生产生物肥料，变废为宝，使
治理污染走上良性循环的道路（
Connell
等，
1999[59]
）
。
通过对木质素代谢基因进行调控来改造物种也具有广阔的前景
。
例如，
在饲料生产上，
可以通过转基
因手段降低木质素含量，提高饲草的适口性、营养价值和利用率
[49]
；在木
材生产上，可以通过转基因等手段来促进木质素的合成，提高木材的质量
[48]
；在作物育
种上，可以通过木
质素正调控来产生新的种质，提高抗倒伏能力
[52];
在果树
生产上，首先
开展不同矮化型果树木质素代谢规律的研究，然后通过基因工程等手段调控
木质素合成来
降低树高，这将为果树矮化栽培开辟新的思路。
1.3
木质素的生物合成途径
木质素的生物合成虽然未完全清楚
,
但经过多
年的研究
,
普遍认为大致可分为
3
个步
骤
:(1)
首
先是植物光合作用后的同化产物到芳香氨基苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等的合成
过程
,
称为莽草酸途径。
(2)
其次是从苯丙氨酸到羟基肉桂酸
(HCA)
及其辅酶<
/p>
A
酯类
,
称为苯
丙酮酸途径。
(3)
最后是从羟基肉桂
基辅酶
A
酯类到合成木质素单体及其聚合物的过程
,
称
为木质素合成的特异途径。其中起主要作用和研
究重点大都放在苯丙氨酸途径和木质素合
成特异途径这两个阶段。
在木质素合成的过程中有很多的酶参与作用
,
参与第二阶段的苯丙氨酸途径中有
:
苯
丙氨酸基裂解酶
(PAL)
、肉桂酸
4-
羟基裂解酶
(C4H)
、
香豆酸
3-
羟化酶
(C3H)
、香豆醇辅酶
A-3-
羟化酶
< br>(CCoA3H)
、咖啡酸
5-
羟化基阿魏酸
0-
甲基转移酶
(COM
T)
、咖啡醇辅酶
A-0-
甲
基转移酶
(CCoAOMT)
、阿魏酸
5-
羟化酶
(F5H)
和
4-
香豆基辅酶
A
< br>裂解酶等等。参与第三阶
段的木质素单体合成特异途径的酶主要有
:
香豆醇辅酶
A
降解酶
(CCR)
和肉桂醇脱氢酶
(CAD)
两种
,
但在多途径中还发现了松柏醛
5-
羟基降解酶
(CAld5H)
和松柏醛甲基转移酶
(AldOMT)
等。最后
,
在过氧化物酶
(peroxi-dase
)
和漆酶
(Laccase)
等的催化
下
,
各种木质单体聚合成
为木质素。<
/p>
木质素单体的合成过程是在细胞质中完成的
,
然后转移到细胞壁中进行脱氢聚合形成
木质素。
2
木质素合成相关酶和酚的代谢关系
2.1
木质素合成相关酶的代谢关系
木质素单体合成是经过苯丙酸途径开始进行的，首先由葡萄糖发生芳环化反应而形成
莽草酸
[6]
，然后经过一系列经基化、甲
基化与还原反应，生成三种基本结构。整个过程涉
及到许多酶系
[7]
十分复杂。至今仍未明确其准确的合成途径，但它给我们指明了酶的活性
与木质素前体浓度的关系，证明一些酶系控制着木质素含量变化。
１
根据大
量资料和木质素的合成途径来看，
苯丙氨酸解氨酶
(PAL )
，
肉桂酸脱氧酶
(CAD)
，
过氧化物酶
(POD)
三种酶是木质素合成途径中的关键酶类。
其中
PAL
处于苯丙烷类代谢的
起点，与类黄酮物质、黄酮、色素、木质素的合成有
关。
Taylor
等
[8]
利用白日菊叶肉细胞
诱导出不同分化类型的细胞管状分子。在诱导过程中，
细胞壁上伴随有木质化的发生，同
时对木质化形成相关的酶类进行了测定。
PAL
伴随细胞木质化活性有增强趋势。而
CAD<
/p>
和
POD
是木质素单体形成过程中的酶，
它们的活性变化更能体现木质素代谢的活动情况，
进而说明与之相关的导管分化和抵御病
害的防御机制。
2.1.1
苯丙氨酸解氨酶
PAL
催化
L-
苯丙氨酸直接脱氨产生反式肉桂酸，
是苯丙烷类代
谢的关键酶和限速酶
[9]
。
此酶自<
/p>
1961
年
Koukol
和
Conn
发现以来己在所有研究的绿色植物中找到<
/p>
[10
、
11
、
12
、
13
、
14
、
15]
，
在真菌、细菌、藻类中也有发现。细胞中此酶定位于线粒体、白色体、叶绿体、过氧化
酶
体、乙醛体等细胞器中。植物的不同组织和不同部位
PAL<
/p>
的分布也不同，在萌发
5
天的黄
化水稻幼苗中，
幼叶活性最高，
其次为根和胚轴
，
胚芽鞘的活性很低，
而胚乳中未检测到。
丛斌
(1997)
等
[16]
在小麦根尖分生区无法检测到
PAL
的活性
。
PAL
活性随叶片的成熟度的增
加而
降低，越嫩的部位
PAL
活性越高
[17]
。尹德明等
[18]
研究水稻感染小球菌核病后，
PAL
呈现先上
升后下降的趋势，发现植物的抗病性与木质素形成有关。
Kchrel
< br>和
Wiermanl
[19]
应
用免疫化学定位法在郁金香花药中
PAL
主要位于花药绒毡层细
胞中。
通过硫酸钱分级沉淀、<
/p>
DEAF-
纤维素层析、
亲和层析等分离
纯化步骤，
PAL
己在马铃薯、
玉米、
芥菜、小黄瓜等
f
一儿种高等植物中得到纯化，并系统地研究了
其基本性质。
PAL
的酶蛋白为分子量
220000-330000
道尔顿的酸性蛋白，其全酶由四个相同亚基组成四聚体
[20]
。
PAL
的最适
PH
为
8-9.5
，水稻
PAL
最适
PH
偏碱，这和氨基酸成分一致。
Butland
等
[21]
发现班克松
(P
banksiana Lamb. )
PAL
基因的多个成员
(PALL-5)
。
Fukuda
等
[22]
用分离的
百日草
(Zimnia elega
ns)
叶肉单细胞研究了苯丙烷类代谢酶系与木质素形成、管状分子形
< br>成和细胞分化的关系。管状分子与薄壁细胞的区别在于木质化次生壁的加厚，木质素是次
< br>生壁结构材料之一，是木质细胞特有的组成，因此木质化作用可以作为管状分子分化的指
< br>标。
朱海英
(1997)
等
[23]
在丝瓜果实发育期间，
发现
PAL
的活性高峰出现在木质素大量合成
的
第
5
天。
郑少泉
(2001)
等
[24]
以套袋后的
解放钟批把果实为材料，
果实中的
PAL
活性提高，
抑制果锈病的发生，可能与木质素加厚有关。复旦大学课题组在烟草、甜叶
菊和丹参组织
培养产生愈伤组织的工作中发现，
PAL
出现较早，木质素含量增加，随着分化进程的延续，
PAL
活性降低，在组织老化时甚至失去活性。
随着生物技术的不断成熟，
PAL
的分子生物
文章见于报端。
Edwards(1985 )
等
[25]
从豆
刺盘抱菌壁提取物诱导的菜豆获得
PALmRNA
，构建了
cDNA
文库，然后筛选了
14
个
PAL
基
因克隆。测序表明，菜豆至少含有
< br>3
种
PAL
基因。
Lois(I989)
等
[26]
< br>也发现皱叶欧芹至少含
有四种
PAL
基因，结构与菜豆相似。所有
PAL
基因启动子部位都存在
两处
AC
富含区域，
该区域也存在其它
苯丙烷代谢酶系基因中。
Whetten (1992)
等对火
炬松木质部的
PAL
进行
纯化，利用抗
体技术从
cDNA
文库中得到
PAL<
/p>
基因。这些表明
PAL
是一个多基因家族
表达
系统。
2.1.2
肉桂醇脱氢酶
(CAD)
CAD
是木质素单体形成过程中的酶，
它们的活性变化更能体现木质素代谢的活动情况。
[27]
葛秀春
(2002)
等
用苯丙噻二
(BTH)
处理水稻幼苗第
3
叶后，
第
3
叶及其上位
第
4
叶中
CAD
活性显著提高，处理
3
天后，接种稻瘟病菌，
2
天内
CAD
增高更为显著，
之后下降。朱海
英等
[zs]
发现
CAD
活性出现在
PAL
< br>后，催化
4
一香豆醛向一香豆醇的反应，形成木质素的<
/p>
积累和导管的分化。
Mackay
等
[28]
发现火炬松酶系
CAD
的突变体，
突变体的
CAD
活性及
cadRNA
２
转录水平很低，而
CAD
酶作用底物累积水平很高。木材呈棕色
(
野生型呈白色
)
，突变体的
< br>木质素含量下降。
Baucher
等
[29]
从毛果杨
X
美洲黑杨后代
中分离出
CAD
酶的
cDNA
通过农杆
菌进行有正义和反义转化到欧洲山杨
X
银白杨中，结果表明，
3
个反义转化和
2
个共抑制
的木质部组织
CAD
活性下降
70%
，在
CAD
活性少于
60%
的品系中，可检测到红色的木质部，
但木质部含量和组成与对照品系相似，
并未下降。
Halpin
等
[30]
在转基因烟草中使
CAD
活性
降为野生型的
7%
，
但木质素含量仍未下降，
因此，
大多数学者认为
，
在木质素生物合成中，
CAD
虽然是
化木质素前体合成的最后一步的酶，但并非限速步骤，可能极低的内源
CAD
活
性就能满足植物体木质素合成的需要
[31]<
/p>
。然而，在制浆试验表明，虽然抑制
CAD
没有降低
木质素的含量，
但木质素的组成和化学性质发生了改
变，
有利于脱木质素的制浆化学组成。
2.1.3
过氧化物酶
(POD)
PO D
是一类血红蛋白，
能利用过氧化氢氧化多种氢供体，如酚类，细胞色素
c
、亚硝<
/p>
酸盐、抗坏血酸、吲哚、胺以及某些无机离子。过氧化物酶底物的这种广泛性表明了它在<
/p>
植物体中的多样性。许多实验证明过氧化物酶对植物的生长和发育起着重要作用。
木质素是所有维竹组织细胞壁的主要成分，是抵抗病原菌侵入
和扩展的重要防卫手
段。过氧化物酶被认为是在木质素生物合成中催化最后一步反应的酶
。李宗道
[32]
(1984)
研究
结果表明
:
茎鞘过氧化物酶的活性比叶片低，竺麻叶片过氧化物
酶的活性前期低，后
期逐渐升高。不同品种间过氧化物酶活性有显著差异
;
凤凰青麻、雅麻、黑皮莞等品种细
根的酶活性较高，
其纤维支数亦较高，
浏阳白麻、
湘兰一
号酶活性较低，
其纤维支数也低。
由此可见，细根中过氧化物酶
活性大小与纤维质量有一定的相关性。朱海英
(1997)
等在
丝
瓜果实发育期间，测定
PO(
I
，
II ,
III)
的活性，结果表明
PO( I
，
II)
与木质化进程有
关
PO.
同工酶的电泳现象结果显示与木质化进行有关郭清泉
(2000)
等
[33
、<
/p>
34]
、
胡日生等
[35]
在
兰麻收获期测定
10
个品种的
POD
及其胶质，
经相关性分析，
POD
的活性与果胶质含量呈负
相关，与总胶质、脂蜡质、水溶物、半纤维素、木质素含量呈正相关，只有
POD
活性与木
质素含量的相关系数达极显著水平。
郭兴启等
[36]
对番茄花叶病毒的抗性研究
表明
POD
和
PAL
< br>活性值较高，但
PAL
活性变化与抗性无相关性。抗、感
病品种病株过氧化物同工酶都比相
应健株酶带多，且抗性品种比健株多出
2
条酶带，而感病品种只多出
1
条酶带。唐明远等
[37]
(1
982)
报道过氧化物同工酶在兰麻不同品种之间存在明显差异，酶带种类不同，还有<
/p>
量的差异。董建华
(2000 )
等
[38]
用
6-
苄
氨基嘌呤预处理花生种子，促进了种子活力指数的
提高，可溶性蛋白和
< br>POD
活性下降，
POD
同工酶
及可溶性蛋白电泳谱带数及分布无变化。
Jorgen
H.C.
[39]
在白杨树木质部的研究中，分离出
5
种不同的木质部过氧化物酶，该
5
种
过氧化物酶均糖基化，
分子量为
46Kda-54Kda,
pI
值为
3. I-3. 8
。
其中
PXP3-4
和
PXP5
能氧化木质素单体。由于这些同工酶在木质部中有
选地表达，因此，
PXP3-4
和
P
XP5
被认
为参与木质素的聚合。
Mo
nica Qu i raga
[40]
在番茄中的研究认为，
番茄根系中分离出的
5
种过氧化物酶同工酶中，其
pI
值在
3. 6-9. 6
范围内显示出最高的催化活性。结合转基
因表达和抗体识别技术，发现
pI9. 6
是番茄过氧化物酶基因
TPX1
编码。
RNA
原位杂交技
术揭示出
TPX1
的表达控制木质素和木栓质的合成。盐分胁
迫可减少木质素和木栓质的合
成，这种胁迫使得
TPX1
的表达发生改变，并诱导形成
TPX1
蛋白。
因此，他们推断
TPX
产
物参与木质素
和木栓质的合成。
2.1.4
肉桂酰
辅酶
A
还原酶（
CCR
）
植物体内通过公共苯丙烷途径而进入木质素特异途
径来合成木质素，这条代谢途径涉
及到许多酶的参与，其中肉桂酰辅酶
< br>A
还原酶（
cinnamoyl-CoA reduct
ase,CCR
）是木质
素特异途径的第一个关键酶，可催化<
/p>
3
种羟基肉桂酸的
CoA
酯的还原反应，生成相应的肉
桂醛。
CCR
是催化木质素特异途径的第一个限速酶（
Lacombe et al.,
1997
）
,
可能对木质
３
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