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毛白杨糖基转移酶基因PtGT3的克隆与遗传转化



全 文 :植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (7): 682~688682
收稿 2013-04-02  修定 2013-06-06
资助 山东大学植物细胞工程与种质创新教育部重点实验室开
放课题(2011-03)。
* 通讯作者(E-mail: bkhou@sdu.edu.cn; Tel: 0531-88364726)。
毛白杨糖基转移酶基因PtGT3的克隆与遗传转化
于惠敏1, 王艳文2, 任天莹2, 侯丙凯2,*
1齐鲁师范学院生物系, 济南250013; 2山东大学植物细胞工程与种质创新教育部重点实验室, 济南250100
摘要: 通过RT-PCR从毛白杨克隆了一个木质素单体糖基转移酶候选基因PtGT3。该基因编码由465个氨基酸组成的蛋白
质, 在其C-端含有一个保守PSPG框, 并与拟南芥木质素单体糖基转移酶具有较高的序列相似性, 推测此酶在杨树中负责木
质素单体的糖基化修饰。利用组成型CaMV 35S启动子, 构建了PtGT3基因的植物表达载体。建立毛白杨高效组织培养再
生体系, 发现叶柄分化再生率最高, 其次是茎段和叶片。采用农杆菌介导法进行遗传转化, 获得了高表达PtGT3基因的转基
因杨树。获得的糖基转移酶转基因杨树为在木本植物中研究木质素单体的糖基化修饰与木质素合成的关系奠定了基础。
关键词: 毛白杨; 糖基转移酶; 糖基化修饰; 木质素; 遗传转化
Cloning and Genetic Transformation of Glycosyltransferase Gene (PtGT3) of
Poplar (Populus tomentosa Carr.)
YU Hui-Min1, WANG Yan-Wen2, REN Tian-Ying2, HOU Bing-Kai2,∗
1Department of Biology, Qilu Normal University, Jinan 250013, China; 2The Key Laboratory of Plant Cell Engineering and Ger-
mplasm Innovation, Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250100, China
Abstract: In this study, a glycosyltransferase gene, PtGT3, was cloned from poplar (Populus tomentosa Carr.)
by RT-PCR. A protein of 465 amino acids, derived from the nucleotide sequences of PtGT3 gene, has a con-
served PSPG box in its C-terminal and high sequence similarity with Arabidopsis monolignol glycosyltrans-
ferase, suggesting a possible role of PtGT3 in the monolignol glycosylation of poplar. A plant expression vector
of PtGT3 driven by CaMV 35S promoter was constructed. The efficient regeneration system of poplar through
tissue culture was established and it was found that the petioles had the highest regeneration rate, followed by
immature stem segments and leaves. Genetic transformation of poplar plants was conducted using the Agrobac-
terium-mediated method and RT-PCR demonstrated that the transgenic poplar plants overexpressing PtGT3
were obtained. These transgenic poplar plants provide useful materials for further study on the relationship be-
tween monolignol glycosylation and lignin biosynthesis in wooden plants.
Key words: poplar (Populus tomentosa Carr.); glycosyltransferase; glycosylation modification; lignin; genetic
transformation
杨树是一种具有重要商业价值与生态价值的
木本植物, 由于其基因组全序列测定已经完成, 且
具有容易进行遗传转化、木质部发达以及生长快
速等特点, 因此成为研究木本植物的理想模型, 常
被用来研究与木材相关的遗传特性。
木质素是构成木本植物细胞壁的重要组成成
分, 在木材等硬组织中含量多达15%~35%, 它在陆
生植物中是含量仅次于纤维素的第二大天然有机
化合物。木质素具有加固细胞壁的机械强度、提
高细胞运输能力以及抵御病菌微生物侵害的生物
学功能。但木质素的存在会影响食草动物的消化
率, 由此降低饲料的营养价值(Inoue等2000)。在造
纸业中, 木材通常需要通过化学方法去除其中的
木质素, 因此消耗了大量的能源和化学药品, 并造
成严重的环境污染。在生物质能源工业中, 由于
植物细胞壁中的木质素与纤维素紧密交联在一起,
严重降低了纤维素通过发酵产生乙醇的效率。因
此, 通过基因工程改变木质素含量或组成已成为
生物质能源领域需要解决的问题。
一般认为, 木质素的生物合成是从苯丙氨酸
(或酪氨酸)脱氨形成肉桂酸起始, 经过一系列羟基
于惠敏等: 毛白杨糖基转移酶基因PtGT3的克隆与遗传转化 683
化、甲基化与还原反应形成羟基肉桂酸及其辅酶
A酯类, 然后进一步合成木质素单体, 最后是木质
素单体通过特定方式由胞内运输至细胞壁部位并
聚合形成苯基丙烷类高分子聚合物(Vanholme等
2010)。木质素生物合成的调控机制一直是植物木
质素研究的热点。近年来的研究表明, 木质素单
体的糖基化修饰可能在调控木质素生物合成过程
中发挥重要作用。早在上世纪七八十年代, 人们
就发现植物体内广泛存在着木质素单体和其他前
体分子的糖基化修饰现象, 例如在裸子植物和被
子植物的维管束形成层、茎、叶等组织中均发现
了松柏醇、芥子醇、松柏醛、芥子醛等木质素前
体的糖基化产物积累(Marcinowski和Grisebach
1977; Ito等2000)。在模式植物拟南芥(Arabidopsis
thaliana)中也已鉴定出3个与木质素前体密切相关
的糖基转移酶(Lim等2001), 并且发现拟南芥的根
中能够积累大量松柏醇糖苷和芥子醇糖苷。用同
位素示踪技术研究木质素前体分子糖苷物的去向,
结果发现松柏醇以及松柏醛的糖苷物均能在脱糖
基后参入到木质素分子中(Tsuji和Fukushima 2004;
Tsuji等2004)。以上这些研究暗示, 木质素前体分
子的糖基化修饰程度有可能是调控木质素合成的
一个途径 , 然而其作用和机理至今还不清楚
(Bonawitz和Chapple 2010)。
本研究首先从毛白杨鉴定和克隆了与木质素
前体相关的糖基转移酶候选基因PtGT3, 然后建立
了毛白杨的组织培养再生体系, 最后通过遗传学
操作获得了经过分子鉴定的转PtGT3基因的毛白
杨, 以期能为进一步研究木质素生物合成的调控
机理及生理学作用提供依据。
材料与方法
1 植物材料
选用原产于我国并被广泛种植的毛白杨(Pop-
ulus tomentosa Carr.)为植物材料。
2 药品与试剂
克隆基因所用的引物合成及测序由上海生工
生物工程有限公司完成。各种凝胶回收试剂盒和
生化试剂均购自上海生工生物工程有限公司。
RNA提取所用的TRIzol、反转录试剂盒、高保真
DNA聚合酶、限制性内切酶、DNA Marker等购自
TaKaRa公司。植物组织培养过程中所用的各种化
合物与生长调节物质购自济南浩隆生物科技有限
公司。
3 组织培养和遗传转化所用的培养基
Y1 (用于诱导再生苗): MS+0.25 mg⋅L-1吲哚乙
酸+0.25 mg⋅L-1吲哚丁酸+0.5 mg⋅L-1玉米素+30 g⋅L-1
蔗糖+7 g⋅L-1琼脂; Y2 (用于壮苗): MS+0.5 mg⋅L-1 6-
苄氨基嘌呤+30 g⋅L-1蔗糖+7 g⋅L-1琼脂; Y3 (用于试
管苗生根): MS+10 mg⋅L-1维生素B1+0.2 mg⋅L-1萘乙
酸+30 g⋅L-1蔗糖+7 g⋅L-1琼脂。
4 PtGT3基因的克隆与表达载体构建
按TRIzol使用说明的方法从新鲜幼嫩的毛白
杨试管苗叶片提取RNA, 然后用TaKaRa公司反转
录试剂盒获得毛白杨cDNA。根据毛果杨的基因
组序列设计以下两个引物: PT3-a, 5-ATAGGATC-
CATGGGACACCTTATCCCTGT-3; PT3-b, 5-ATA-
GAGCTCCTATGCACCTTGAGCCTTTGC-3。两
个引物5端分别添加了BamHI和SacI酶切位点(下
划线部分)。利用这两个引物和毛白杨cDNA, 经
PCR扩增得到PtGT3基因的cDNA。PCR程序如下:
94 ℃预变性5 min; 94 ℃变性10 s, 55 ℃退火15 s,
72 ℃延伸2 min, 共35循环; 72 ℃终延伸 10 min。
PCR产物用BamHI和SacI双酶切后连接入经
同样酶切的pBluescript KS载体, 获得中间载体
pSKGT。对多个不同克隆中的PtGT3基因进行测
序, 确定序列无误后, 用BamHI和SacI将其从中间
载体pSKGT上切出, 然后与经BamHI和SacI双切后
的植物表达载体pBI121连接, 替换其中的GUS基
因, 构建成包含目的基因的植物表达载体pBIGT3
(图1)。
图1 植物表达载体pBIGT3的构建
Fig.1 The construction of plant expression vector pBIGT3
5 组织培养
(1)取无菌条件下培养4周左右的毛白杨试管
苗叶片、茎段和叶柄, 切成小段(0.5~1 cm长)后放
至Y1培养基上, 昼夜温度为22~25 ℃, 光照强度为
60 μmol·m-2·s-1, 光照时间14 h·d-1; (2)大约3周后, 把
外植体上长出的幼芽转至Y2培养基中进行壮苗,
植物生理学报684
培养条件同上; (3)大约3周后, 把Y2培养基上2~3
cm高的幼苗移至Y3培养基上诱导生根, 培养条件
同上。
6 遗传转化
(1)把切成0.5~1 cm的外植体放入制备好的带
有植物表达载体的农杆菌LBA4404菌液中, 使两
者充分接触, 浸染20 min, 期间不断轻轻摇动; (2)把
外植体置于无菌滤纸上, 吸去菌液, 然后移到Y1培
养基中, 于25 ℃培养室中暗培养2~3 d; (3)把外植
体放入MS液体培养基中, 轻轻漂洗后用无菌滤纸
吸干其上面的液体, 然后放入含50 mg⋅L-1卡那霉素
(Kan)和500 mg⋅L-1羧苄青霉素(Carb)的Y1培养基中
培养, 昼夜温度为22~25 ℃, 光照强度60 μmol·m-2·s-1,
光照时间14 h·d-1; (4) 2~3周后, 把生成的小芽移入
带有相同抗生素的Y2培养基中壮苗培养; (5) 2~3
周后, 移入Y3培养基中进行生根培养。选取生根
良好的试管苗进行分子鉴定, 鉴定为阳性的植株
移入营养土中生长。
7 RT-PCR分子鉴定
转基因试管苗的RNA提取和反转录按上述方
法进行。RT-PCR所用的两个引物序列如下: PT3-
F, 5-AGGTTTATCTGGGTGGTTCGT-3; PT3-R,
5-GAGCCTTTGCTTTCAGGTGTT-3。用这两个
引物对转基因试管苗的cDNA进行PCR扩增(预期
扩增片段大小为550 bp), 获得PtGT3的cDNA。以
18S rRNA的转录物水平作为内参, 相应的引物为:
18S-F, 5-CTGCCCGTTGCTCTGATGATTCA-3,
18S-R, 5-CCTTGGATGTGGTAGCCGTTTCT-3。
PCR程序为: 94 ℃预变性5 min; 94 ℃变性50 s, 55 ℃
退火50 s, 72 ℃延伸1 min, 共35循环; 72 ℃终延伸
10 min。
实验结果
1 PtGT3基因的克隆
由于草本植物拟南芥中糖基化木质素单体的
糖基转移酶基因UGT72E2已经克隆(Lim等2001;
Lanot等2006), 利用该序列比对毛果杨基因组序列,
获得了同源性较高的一个基因序列。使用DNA-
Star软件对这一基因进行开放读码框预测, 确定出
可能的开放读码框。在开放读码框的外围设计引
物并通过RT-PCR从木本植物毛白杨中扩增获得了
一个具有完整开放读码框的cDNA, 将其命名为
PtGT3 (图2-A)。经测序, 获得的PtGT3 cDNA全长
1 398 bp, GenBank登录号为HM776518, 推测其编
码一个由465个氨基酸组成的蛋白质。对氨基酸
序列分析后发现, PtGT3蛋白在靠近C-端含有一个
由40个氨基酸组成的保守PSPG框(图2-B), 该保守
序列被认为是负责次生代谢物等小分子化合物修
饰的糖基转移酶所共同具有的。因此, 从理论上
推测, 克隆的PtGT3是毛白杨的糖基转移酶基因,
并且负责毛白杨中小分子物质的糖基化修饰。通
过与拟南芥的UGT72E2进行序列比较, 发现两者
在氨基酸水平上序列相似性达到68%。由此认为,
PtGT3基因可能是毛白杨中负责木质素单体糖基
化修饰的糖基转移酶基因。
2 PtGT3基因的植物表达载体构建
使用BamHI和SacI对植物表达载体pBIGT3进
行酶切验证的结果表明, 该载体可以切出符合预
期大小的目的条带(1.4 kb左右), 而对照pBI121质
粒只能酶切产生1.8 kb的GUS基因片段(图3)。表
明PtGT3基因的植物表达载体构建成功。
3 毛白杨组织培养再生体系的建立
由图4-A可见, 在3种不同的外植体中, 叶片的
分化率为40%左右, 茎段和叶柄的分化率明显高于
叶片, 分别为60%和80%左右。以叶柄和茎段为外
植体, 建立了毛白杨的组织培养再生体系(图4-B)。
4 转PtGT3基因毛白杨的鉴定
对获得的转基因毛白杨试管苗进行RT-PCR
分子鉴定的结果表明, 有4个独立的转基因植株的
PtGT3基因转录物水平比非转基因对照有明显提
高(图5-A), 说明已得到高表达糖基转移酶的转基
因毛白杨。将经过分子鉴定的高表达转基因试管
苗与大小和状态基本一致的非转基因试管苗同时
移入营养土中 , 在相同条件下培养 , 结果发现
PtGT3转基因毛白杨一般都表现出生长缓慢、株
高降低的表型特征(图5-B)。
讨  论
在早期的研究中, Lim等(2001)在拟南芥中发
现3个糖基转移酶基因(UGT72E1~3)与木质素单体
的糖基化代谢有关。然而, 利用这3个基因所进行
的拟南芥转基因研究并没有确定它们与木质素合
于惠敏等: 毛白杨糖基转移酶基因PtGT3的克隆与遗传转化 685
成的关系(Lanot等2006)。杨树作为木本模式植物,
其木质部高度发达, 因此利用杨树研究木质素合
成代谢与调控机制具有独特优势。Geisler-Lee等
(2006)在毛果杨中鉴定出1 600多个编码碳水化合
物的基因, 其中包括多种糖基转移酶, 并且发现毛
果杨和拟南芥中这些糖基转移酶在植物代谢与基
因表达方面有许多不同之处。生物信息学的分析
指出, 杨树大概有840个糖基转移酶, 其中糖基转
移酶家族1是最大的家族, 并且远远多于拟南芥中
的。Geisler-Lee等(2006)认为, 杨树的糖基转移酶
之所以数量庞大或许是由于它们参与了木质部的
形成、伸长等代谢过程。目前, 杨树的许多糖基
转移酶基因的功能已经被鉴定 , 例如 , Zhou等
(2007)从杨树中克隆了2个糖基转移酶基因PoGT8D
图2 毛白杨PtGT3基因的克隆(A)及其蛋白与拟南芥UGT72E2的氨基酸序列比对(B)
Fig.2 Cloning of PtGT3 from poplar (A) and amino acid sequence alignment with UGT72E2 of A. thaliana (B)
A中, M: λDNA/EcoRI+HindIII marker; 1: PtGT3 cDNA。B中, 星号部分为糖基转移酶保守的PSPG框。
植物生理学报686
和PoGT43B, 分别属于糖基转移酶家族8和家族43,
发现它们和次生壁的形成以及葡糖醛酸木聚糖的
生物合成有关。尽管杨树中最大的糖基转移酶家
族(家族1)已经在基因组水平上被鉴定, 但到目前
为止, 关于杨树糖基转移酶家族1的基因对植物的
生长发育所起的作用还知之甚少, 杨树糖基转移
酶与木质素合成的关系更是缺乏报道。在本研究
中, 我们首次从毛白杨中获得了一个推测为木质
素单体糖基转移酶的基因PtGT3, 序列分析发现该
基因编码的蛋白在C-末端含有糖基转移酶家族1
的典型特征序列, 即包含44个氨基酸的PSPG盒
(Bowles等2005)。这一序列特征表明PtGT3属于糖
基转移酶家族1, 并且推测它能够参与植物小分子
化合物的糖基化修饰(Bowles等2006)。进一步的
序列比较表明它与拟南芥的木质素单体糖基转移
酶具有较高的序列一致性, 反映出该基因在木本
植物中有可能参与木质素前体的动态平衡调节以
图3 植物表达载体pBIGT3的酶切验证
Fig.3 Verification of plant expression vector pBIGT3 by
restriction enzyme digestion
M: λDNA/EcoRI+HindIII marker; 1: pBI121/BamHI+SacI; 2:
pBIGT3/BamHI+SacI。
图4 毛白杨不同外植体的分化率(A)及
组织培养再生体系的建立(B)
Fig.4 The regeneration rate of various explants (A) and the
establishment of regeneration system of poplar (B)
a: 茎段; b: 再生芽; c: 壮苗培养; d: 生根培养; e和f: 移栽的再生苗。
图5 转基因毛白杨的分子鉴定(A)和生长状态(B)
Fig.5 The molecular identification (A) and growth
phenotype (B) of transgenic poplar plants
于惠敏等: 毛白杨糖基转移酶基因PtGT3的克隆与遗传转化 687
及木质素合成的调节过程。杨树中属于家族1的
其他糖基转移酶基因的研究目前未见报道, 该基
因的克隆为研究杨树糖基转移酶与生长发育以及
与木质素合成的关系奠定了基础。
PtGT3转基因毛白杨的获得是研究该基因功
能的前提。以往的研究表明, 转化受体是影响杨
树遗传转化效率的一个重要因素, 建立一个好的
受体系统是基因转化的先决条件。转化受体通常
来自于植物的原生质体和外植体组织。在杨树的
组织培养中, 外植体的来源十分广泛, 叶片、腋
芽、茎段、子叶、下胚轴等都可作为外植体。大
量的杨树转基因研究表明, 杨树叶片是较好的受
体材料(Confalonieri等1994; De Block 1990); 但也
有一些研究发现 , 杨树茎段的诱导率高于叶片
(Confalonieri等2000; 于志水等2003; 孙宇飞等
2004)。因此, 杨树转化中最适的受体材料可能随
杨树的种类或基因型不同而不同。为了优化毛白
杨组织培养过程, 获得较高的遗传转化率, 缩短转
化过程所需时间, 本研究选择毛白杨的叶片、茎
段、叶柄为外植体, 进行组织培养和转化预实验,
发现在相同的培养条件下, 叶柄的分化再生比率
大于茎段, 而叶片的分化再生率最低; 这与以前的
报道有所不同。我们推测, 可能是由于叶柄与茎
段所处生理状态适合于分化再生, 更容易受到外
界培养条件的诱导。因此, 在毛白杨组织培养扩
繁与遗传转化中, 叶柄和茎段可作为优选的外植
体使用。
目前在木质素的研究领域, 大多数的工作是
利用杨树作为研究对象, 试图通过降低木质素前
体合成酶的表达量来降低木质素的含量, 从而研
究木质素与树木生长发育的关系。比较普遍的发
现是, 当木质素含量降低以后, 通常会导致杨树根
系和叶的发育受到影响, 光合效率降低, 气孔开度
减小, 木质部导管塌陷以及结构改变, 杨树主茎生
长缓慢, 严重的会造成植株矮化, 茎杆匍匐倒伏或
者“灌木化” (Coleman等2008; Li和Chapple 2010;
Voelker等2010)。这些生长抑制反应被认为是由于
较低水平的木质素不足以支撑水分运输而造成的
直接后果。也有人认为木质素的前体(松柏醇)同
时也是促进细胞分裂的活性物质(去氢二松柏醇糖
苷)的前体, 木质素前体的合成受阻不仅影响了木
质素含量, 同时也影响了细胞分裂, 于是导致生长
缓慢(Li和Chapple 2010)。目前, 对于木质素含量
与植物生长发育的关系尚未有定论, 甚至也有一
些相反的结果。例如, Joshi等(2011)研究了杨树木
质部的纤维素合成对生长发育的影响, 他们将纤
维素合成酶基因(PtdCesA8)进行沉默, 结果导致纤
维素含量降低到野生型的1/4, 而木质素含量却从
野生型的22%提高到35%。该转基因杨树伴随着
纤维素含量降低和木质素含量增加, 却表现出主
茎生长减慢、侧枝匍匐生长、叶和根系变小、木
质部导管塌陷以及不规则排列等表型特征, 非常
类似于木质素降低后的表型。本研究获得的转基
因毛白杨表现出生长缓慢、株高降低的表型特
征。虽然目前还未对转基因毛白杨的生理学特征
做进一步分析, 但由其生长受抑制的表型可以推
测, 糖基转移酶PtGT3在毛白杨细胞内具有一定的
生理学作用, 可能通过糖基化修饰木质素前体, 影
响木质素含量, 也有可能通过糖基化修饰作用影
响去氢二松柏醇糖苷的合成 , 进而影响细胞分
裂。接下来利用糖基转移酶的转基因毛白杨进行
的后续分析, 将为探究木质素单体糖基化修饰与
树木生长发育以及木质素合成的关系提供参考。
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