全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (9): 831~839 831
收稿 2011-06-07　　修定 2011-08-01
资助 国家自然科学基金(30870142和30400022)和华中师范大学
中央高校基本科研业务费(120002040249)。
致谢 澳大利亚墨尔本大学植物学系曾为博士对本文提出宝贵
意见。
* 通讯作者(E-mail: wenliangxu@yahoo.com.cn; Tel: 027-
67867814)。
参与植物细胞壁半纤维素木聚糖合成的糖基转移酶
秦丽霞, 张德静, 李龙, 李学宝, 许文亮*
华中师范大学生命科学学院, 遗传调控与整合生物学湖北省重点实验室, 武汉430079
摘要: 木聚糖是双子叶植物次生细胞壁中最主要的半纤维素, 含有木聚糖的次生壁是最丰富的植物生物质, 广泛应用于能
源、制浆、造纸和纺织业中, 但其主要组分戊糖对细胞壁生物质利用具有较大影响。揭示木聚糖合成的分子机制, 为遗传
修饰细胞壁组成, 更好地利用细胞壁生物质提供新的策略。近年来对模式植物拟南芥中多个木聚糖合成有缺陷的突变体
的分析表明: GT43家族的IRX9、IRX9-L、IRX14、IRX14-L, GT47家族的FRA8、F8H、IRX10、IRX10-L, GT8家族的
IRX8、PARVUS、QUA1、GUX1、GUX2等参与了木聚糖主链、还原末端序列和侧链的合成。本文主要对这些研究进展
做一综述, 并讨论了木聚糖合成的机制及亟待解决的问题, 展望了其发展趋势。
关键词: 木聚糖; 结构; 生物合成; 糖基转移酶
Glycosyltransferases Involved in Xylan Biosynthesis in Plant Cell Walls
QIN Li-Xia, ZHANG De-Jing, LI Long, LI Xue-Bao, XU Wen-Liang*
Hubei Key Laboratory of Genetic Regulation and Integrative Biology, College of Life Sciences, Central China Normal University,
Wuhan 430079, China
Abstract: Xylans are the major hemicelluloses in secondary cell walls of dicots and are critical for normal plant
growth and development. Xylan-containing lignocellulosic secondary cell walls are the most abundant reposito-
ry of biomass on earth and are widely used for energy, pulping, paper-making and textiles. However, the pen-
tose composition of xylans makes them difficult to be used efficiently. Thus, understanding the detailed mecha-
nism of xylan biosynthesis may lead to new strategies to manipulate the xylan composition in cell walls and to
modify their structures. To date the characterization of various xylan-deficient Arabidopsis mutants has identi-
fied many genes encoding members of glycosyltransferase family GT43, GT8 and GT47 that are involved in
biosynthesis of xylan backbone, reducing end sequence and side chains. In this review, we summarize the re-
cent progress on glycosyltransferases involved in xylan biosynthesis.
Key words: xylan; structure; biosynthesis; glycosyltransferases
与特化的动物骨骼系统不同的是, 植物的形
状和强度依赖植物细胞壁的特性, 细胞壁在植物
防御和应答环境胁迫方面也发挥重要的作用。植
物细胞壁不仅对植物的生长和发育是必需的, 而
且还决定了许多植物类产品的质量。供人类和动
物消费的植物类食品的营养和加工特性在很大程
度上受细胞壁特性的影响, 用于纺织业、制浆、
造纸等行业的纤维, 木材产品, 以及需求日益增长
的燃料主要由植物细胞壁组成或者源于植物细胞
壁。由于细胞壁与这些工业的相关性, 细胞壁组
分(纤维素、半纤维素、果胶、木质素和糖蛋白)
的化学结构以及参与其合成、成熟、周转的生化
过程 , 就成了植物生物学的一个重要研究领域
(Doblin等2010)。半纤维素是植物细胞壁中仅次于
纤维素的第二大类多糖, 约占细胞壁总量的四分
之一, 它一方面通过氢键与纤维素微纤丝交联, 另
一方面与木质素、果胶通过共价键在细胞壁基质
中交联形成网络结构来共同维持细胞壁的稳定性
与完整性(Boudet 2003; Lam等2001; Thompson和
Fry 2000)。半纤维素包括木葡聚糖(xyloglucan)、
木聚糖(xylan)、甘露聚糖(mannans)和葡甘露聚糖
综　述 Reviews
植物生理学报832
(glucomannan)及β-(1→3,1→4)-葡聚糖[β-(1→
3,1→4)-glucan], 除了β-(1→3,1→4)-葡聚糖存在于
一些草本植物的细胞壁外, 其他类型的半纤维素
存在于所有的陆生植物细胞壁中(Scheller和Uvsk-
ov 2010)。
木聚糖是双子叶植物次生壁中半纤维素的主
要成分, 占次生壁的20%~30%。半纤维素由位于
高尔基体膜和基质内的糖基转移酶合成, 现已经
分离并鉴定了许多合成木葡聚糖和甘露聚糖的糖
基转移酶, 相比而言, 对于木聚糖的生物合成却知
之甚少。直到现在, 木聚糖的生物合成才得到和
其他细胞壁多糖一样的重视, 这主要得益于不断
增长的将生物质转化为生物燃料的需求。作为次
生细胞壁的主要组分, 木聚糖将为木质纤维素生
物燃料生产提供1/3的糖源, 但它影响了从生物质
到可酵解糖的转化, 此外, 木聚糖还阻止纤维素降
解酶的进入, 进而也限制了对其他壁组分的消化
(Liepman等2010)。因此, 急需在分子水平上揭示
木聚糖生物合成的机制, 为遗传修饰生物质的数
量和组成, 更好地满足人类需求提供新的策略。
本文综述了近年来参与双子叶植物木聚糖生物合
成的糖基转移酶类的研究进展。
1 木聚糖的结构与分类
木聚糖是植物细胞壁多糖中结构多样化的一
类, 包含一个β-D-1→4-链接木糖残基的主链结构
(图1)。通常根据主链上取代基团的不同, 木聚糖
可分为含葡糖醛酸(glucuronic acid, GlcA)和甲基
化的葡糖醛酸(methyl glucuronic acid, MeGlcA)的
葡糖醛酸木聚糖(glucuronoxylan, GX)、阿拉伯糖
木聚糖(arabinoxylan)以及少量由酸性和中性糖组
合的葡糖醛酸阿拉伯糖木聚糖(glucuronarabinoxy-
lan, GAX)。其中, 葡糖醛酸木聚糖是双子叶植物
和被子植物次生细胞壁的主要成分, 阿拉伯糖木
聚糖和葡糖醛酸阿拉伯糖木聚糖存在于草本植物
细胞壁中(York和O’Neill 2008)。在双子叶植物和
裸子植物GX结构的还原末端含有一个单独的四糖
序列(Johansson和Samuelson 1977) (图1)。
2 参与木聚糖合成的糖基转移酶家族
糖基转移酶(glycosyltransferases, GTs)存在于
所有的生物中, 对植物特别重要, 因为它们参与细
胞壁组分(纤维素、半纤维素和果胶)的合成, 此外,
GTs还催化大量各种各样分子的糖基化, 参与发
育、信号转导、防御等生物学过程(Sado等2009)。
在人类基因组中, 约有200个GT基因, 而在拟南芥
(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)中, 则分
别有同属于41个GT家族的455和565个基因(http://
www.cazy.org/) (carbohydrate-active enZYmes,
CAZy)。但到目前为止, 绝大多数拟南芥和其他植
物的GTs的功能和生化活性还不清楚。
GTs可分为III型多糖合酶(type III polysaccha-
ride synthases)和II型GTs (type II glycosyltransferas-
es)两类(Doblin等2010)。此外, 根据序列同源性、
特征结构域, 疏水簇分析以及催化特异性等特征
将糖基转移酶分成90多个家族。III型多糖合酶是
有多个跨膜结构域的内膜蛋白, 催化糖残基从糖
核苷酸供体转移以处理的方式形成细胞壁多糖的
主链。纤维素合酶(cellulose synthase, CesA)和9个
类似纤维素合酶(cellulose synthase-like, Csl)的多
基因家族编码III型多糖合酶的成员。由于木聚糖
与其他β-(1→4)-链接的半纤维素主链在结构上的
相似性, 一直以来都认为其合成也有Csl蛋白家族
成员的参与, 就如它们参与其他半纤维素的合成
一样, 如CslA家族成员参与甘露聚糖和葡甘露聚
糖合成, CslC家族成员参与木葡聚糖的合成, CslF
图1 拟南芥木聚糖的结构示意图(Liepman等2010)
Fig.1 Structure of Arabidopsis xylan (Liepman et al. 2010)
还原末端序列以黑体显示, 侧链是葡糖醛酸或者4-O-甲基化的葡糖醛酸。
秦丽霞等: 参与植物细胞壁半纤维素木聚糖合成的糖基转移酶 833
和CslH家族成员参与(1→3),(1→4)-β-D-葡聚糖的
合成(Carpita 2011)。
作为第一个完成测序的双子叶植物, 拟南芥
的基因组序列为高效识别和系统分析细胞壁多糖
合成酶的基因提供了一个极其有用的工具, 而且
拟南芥的次生壁中富含木聚糖。目前, 参与木聚
糖合成的糖基转移酶基因主要是在拟南芥中分离
出来的。生物信息学以及分子实验方面的分析已
识别出许多CesA和Csl基因参与了拟南芥、水稻、
大麦(Hordeum vulgare)和杨树(Populus trichocar-
pa)中次生细胞壁的合成(Djerbi等2004; Richmond
和Somerville 2001; Sterky等1998)。除了有实验表
明AtCslD5可能参与(1→4)-β-D-木聚糖的合成外
(Bernal等2007), 还没有直接证据显示GT2家族的
Csl基因有这种作用。生物信息学的方法显示非
Csl的基因更可能是编码木聚糖合成机器的候选基
因(Mitchell等2007)。对多个木聚糖合成有缺陷的
拟南芥突变体, 如parvus (Lee等2007b; Lao等
2003)、irx8 (Brown等2005)、irx7/fra8 (Brown等
2007; Zhong等2005)、gux1和gux2 (Mortimer等
2010)、irx9和irx14 (Wu等2010; Lee等2010; Brown
等2007)、irx10和irx10-L (Brown等2009)的分析显
示相应的属于GT8、GT43、GT47等家族的GTs参
与木聚糖的合成(表1)。下面分述这几类基因在参
表1 参与木聚糖生物合成的糖基转移酶
Table 1 Glycosyltransferases involved in xylan biosynthesis

基因名(基因号)

CAZy家族
主链的 还原末端寡 侧链的 可能具有的
参考文献
合成 糖的合成 合成 转移酶活性
IRX9 (AT2g37090); GT43 + − − XylT Lee等2010; Keppler和Showalter
IRX9-L (AT1g27600); 2010; Brown等2007; Peña等2007;
IRX14 (AT4g36890); Zhou等2007
IRX14-L (AT5g67230)
PtrGT43A (JF518934); GT43 + − − − Lee等2011
PtrGT43B (JF518935);
PtrGT43E (JF518938);
PtrGT43C (JF518936);
PtrGT43D (JF518937)
PoGT43B (EF501825) GT43 + − − NT Zhou等2007
IRX10/GUT2 (AT1g27440); GT47 + − − XylT Wu等2009; Brown等2005
IRX10-L/GUT1 (AT5g61840)
IRX7/FRA8 (AT2g28110); GT47 − + − XyTl/RhaT Lee等2008; Brown等2007; Zhong
F8H (AT5g22940) 等2005
PoGT47C (DQ899955) GT47 − + − NT Lee等2009a
GUX1/PGSIP1 (AT3g18660); GT8 − − + GlcAT Mortimer等2010; Oikawa等2010
GUX2/PGSIP3 (AT4g33330)
IRX8 (AT5g54690); GT8 − + − GalAT Lee等2007b; Peña等2007; Persson
PARVUS (AT1g19300) 等2007, 2005; Brown等2007, 2005;
Zhong等2005; Lao等2003
PoGT8D (EF501824) GT8 − + − − Lee等2011
PtrGT8D1 (JGI 834622); GT8 NT NT NT NT Li等2011
PtrGT8D2 (JGI569069)
PoGT8E (BI128621); GT8 NT + NT NT Lee等2009b, 2007b; Kong等2009
PoGT8F (BI127969);
PdGATL1.1 (GQ464114);
PdGATL1.2 (GQ464115)
Qua1 (AT3g25140) GT8 + NT NT NT Orfila等2005
IRX15 (AT3g50220); + − − NT Brown等2011; Jensen等2011
IRX15-L (AT5g67210)
　　+: 表示起作用; −: 表示不起作用; NT: 表示不确定。
植物生理学报834
与木聚糖合成中的作用。
2.1 GT43
在拟南芥中, GT43家族仅有4个成员, 分别为
IRX9 (AT2g37090)、IRX9-L (AT1g27600)、IRX14
(AT4g36890)和IRX14-L (AT5g67230)。IRX9与
IRX9-L的氨基酸序列同源性达62.4%, IRX14与
IRX14-L的氨基酸序列同源性达81.1%。它们在花
序茎中经历次生壁加厚的维管束间纤维或木质部
特异表达。这4个成员均属于II型跨膜蛋白, 定位
于高尔基体, 都参与GX主链的延伸(Lee等2010;
Peña等2007; Zhou等2007)。
IRX9的2个T-DNA插入突变体irx9-1 (Salk_
058238)和irx9-2 (Salk_057033)都显示植株矮小的
表型, 而irx9-l、irx14和irx14-l单突变体外观均无
明显变化, 但irx9irx9-l、irx14irx14-l双突变纯合体
显示植株更矮小和生长更缓慢的显著表型; 双突
变体杂合体[对irx9是纯合体、对irx9-l是杂合体的
irx9irx9-l (+/-), 对irx14是纯合体、对irx14-l是杂合
体的irx14irx14-l (+/-)]显示出中间表型(Lee等2010;
Keppler和Showalter 2010; Wu等2010)。irx9、
irx14单突变体和双突变体中由于次生壁变薄导致
茎强度减弱, 木质部导管不规则与萎缩, 维管束间纤
维和木质部的细胞壁直径也显著变小。irx9、irx14、
irx9-l和irx14-l单突变体与irx9irx9-l、irx14irx14-l、
irx9irx14双突变体中花序茎细胞壁中的木糖含量
均低于野生型, 且双突变体比单突变体下降更明
显, 其中irx9irx14双突变体中木糖含量最低(Lee等
2010; Wu等2010; Brown等2007; Bauer等2006), 可
见突变体表型的严重性与茎中木糖含量高度相
关。
irx9和irx14单突变体及irx9irx9-l (+/-)、irx9-
irx14、irx9-lirx14双突变体中, GX主链长度变短,
而且双突变体中β-1→4-木聚糖骨架的聚合受到了
影响, irx9和irx14单突变体中木糖转移酶的活性也
大幅度下降。irx14irx14-l双突变体中LM10 (抗木
聚糖的单克隆抗体)信号急剧下降, irx9irx9-l双突
变体木质部信号几乎完全缺失(Lee等2010; Wu等
2010; Lee等2007a; Bauer等2006)。IRX9-L和IRX9
过量表达均能回补irx9突变体的部分木糖含量以
及缺失的GlcUA结构, IRX14-L和IRX14过量表达能
回补irx14, 但IRX9不能回复irx14突变体, IRX14也
不能回复irx9突变体(Lee等2010; Wu等2010)。
上述研究结果表明IRX9和IRX14是2个功能
非冗余的GT43家族成员。IRX9和IRX9-L是一对
功能同系物, 而IRX14和IRX14-L是另一对功能同
系物。IRX9和IRX14比IRX9-L和IRX14-L起着更
重要的作用, 而且IRX9和IRX14在合成GX主链中
不具有功能冗余性。
目前, Zhou等(2007)识别了白杨中的一个属于
GT43家族的PoGT43B, 与拟南芥IRX9 (AT2g37090)
的氨基酸序列同源性达75%, 在 i rx9突变体中
过量表达PoGT43B能够回补突变体的缺陷, 表明
PoGT43B与IRX9具有相似功能, 参与了木材形成
过程中GX的合成。
2.2 GT47
目前的研究结果表明, GT47A家族I亚家族的
FRA8 (IRX7)、F8H和杨树中的PoGT47C参与了半
纤维素中木聚糖还原末端结构的合成, 而IRX10和
IRX10-L参与了GX主链的延伸, 且对正常的次生
壁加厚都是必要的。
FRA8 (IRX7, AT2g28110)与烟草(Nicotiana
tabacum)中参与果胶合成的β-葡糖醛酸转移酶
(β-glucuronyltransferases, NpGUT1)的氨基酸序列
具有高度的同源性(Sterling等2006)。FRA8在发育
的维管和纤维细胞中特异表达, 定位于高尔基体
上, 其突变体中木聚糖的合成有缺陷, 纤维细胞壁
加厚明显减弱, 茎断裂强度降低; 木聚糖和纤维素
含量显著下降, 而木葡聚糖和果胶含量无明显变
化。与野生型相比, fra8突变体仅含有4-O-甲基化
的葡糖醛酸, 而缺失了非甲基化葡糖醛酸, 也没有
末端四糖序列, 表明FRA8参与了次生壁形成过程
中GX结构中还原末端四糖序列的合成(Brown等
2007; Zhong等2005)。与FRA8在参与GX中还原末
端四糖序列的合成中行使相同功能的 F 8 H
(AT5g22940), 在含有大量GX的木质部次生壁细胞
中特异表达(Lee等2008), 也定位于高尔基体上。
f8h单突变体中细胞壁没有任何缺陷, F8H过量表
达可完全回补fra8突变体的表型。f8h/fra8双突变
秦丽霞等: 参与植物细胞壁半纤维素木聚糖合成的糖基转移酶 835
体中木糖含量更低, 更严重的维管降解, 植株生长
极其延缓。双突变体杂合体[对fra8是纯合体、对
f8h是杂合体的fra8f8h (+/-)]显示出中间表型。fra8
单突变体, fra8f8h (+/-)和fra8f8h双突变体中LM10
信号强烈下降或消失, fra8f8h双突变体中β-1→4-
木聚糖骨架的聚合度下降(Lee等2010, 2009a)。
Brown等基于与次生壁标记基因IRX3的共表
达分析识别了IRX10 (AT1g27440), 其突变体irx10
的花序茎中木糖含量下降, 木质部呈现一定程度
的不规则而导致次生细胞壁缺失(Brown等2005;
Jones等2001)。IRX10-L (AT5g61840)与IRX10
(AT1g27440)的氨基酸序列同源性达86%。尽管
irx10-l (GABI179G11)与irx10单突变体一样均无明
显表型, 但irx10irx10-l双突变体植株显示明显的表
型: 植株极其矮小、生长非常缓慢、叶色浓绿、
花粉完全败育。这些生长特性与irx7 (fra8)以及其
他木聚糖缺陷突变体如irx8、irx9和parvus相似
(Brown等2007; Peña等2007; Persson等2007)。此
外, irx10与irx10-l产生的双突变体也存在明显的剂
量效应。IRX10-L与IRX10的过量表达均能够回补
irx10irx10-l双变体缺失的表型(Wu等2009), 表明
IRX10-L与IRX10存在功能冗余, 且IRX10要比
IRX10-L发挥更重要的作用。
irx10irx10-l双突变体次生壁细胞中木聚糖含
量(只有野生型的35%)比irx10、irx10-l单突变体
(有野生型的90%)下降更多, 其β-1→4-木糖转移酶
活性明显下降, 木质部和维管束间的纤维中LM10
信号几乎完全缺失, 但irx10irx10-l双突变体中依然
存在木聚糖还原末端序列(Wu等2009), 表明IRX10
和IRX10-L在木聚糖主链的延伸过程中行使重要
的功能。
近来的研究表明杨树PoGT47C基因在木材
GX的合成中行使重要的功能。其基因沉默导致杨
树木材的次生壁加厚显著降低、维管解聚、GX含
量下降、GX的还原末端序列数量明显减少。在拟
南芥fra8突变体中过量表达PoGT47C能够回补fra8
的表型(Lee等2009a; Zhou等2006)。
2.3 GT8
目前已知的参与植物木聚糖合成的GT8家族
成员包括: 拟南芥中的IRX8、PARVUS、QUA1、
GUX1和GUX2以及杨树中的PoGT8D、PoGT8E、
PoGT8F、PdGATL1.1和PdGATL1.2。
IRX8 (AT5g54690)在具有次生壁沉积的根、
茎和角果中高表达。其突变体显示出生长迟缓,
植株矮小, 叶片、角果和花小, 根和茎的木质部维
管明显破碎 , 木质部壁强度下降等表型。另外 ,
irx8突变体发育的茎中含有比野生型多约50%的木
质部细胞, 但细胞明显变小; 环绕木质部维管的细
胞壁显示出类似于irx1、irx3和irx5突变体中严重
的次生壁加厚减弱(Turner和Somerville 1997)。irx8
突变体的根和茎中, 细胞壁的木糖、纤维素、甲
基化的homogalacturonan (HG)、木聚糖和木葡聚
糖含量均下降, 4-GalAp和3,4-GalAp的水平也下降,
而N-末端GalAp结构增加, 表明irx8突变体GX还原
末端四糖序列发生改变。irx8突变体中木聚糖侧
链上的非甲基化的葡糖醛酸缺失, irx8突变体中
LM10和LM11信号均下降, 且LM10比LM11信号下
降更明显(Persson等2007; Peña等2007)。
AT1g19300属于GT8家族成员, 先前被命名为
PARVUS/GLZ1/GATL1, 参与了果胶的合成。随后
有研究显示, PARVUS在经历次生壁加厚的纤维和
木质部细胞中高表达, 其突变体显示出莲座叶较
小, 叶色浓绿, 植株矮小, 花粉大多败育, 易倒伏,
茎的强度明显减弱, 维管束间纤维、维管和木纤
维的细胞壁加厚显著下降等显著表型(Lee等2007b;
Brown等2007, 2005; Zhong等2005; Persson等
2005)。parvus突变体茎中木糖和葡萄糖含量均下
降, GX侧链上的非甲基化的GlcA残基链缺失, Lee
等(2007b)进一步发现: parvus突变体中GX还原末
端的四糖序列缺失, 表明PARVUS基因参与了GX还
原末端四糖序列的合成 , 与木聚糖缺陷突变体
fra8、irx8和irx9一样, parvus突变体中木糖转移酶
(xylosyltransferase)和葡糖醛酸转移酶(glucuronyl-
transferase)的活性没有受到影响。
Bouton等(2002)通过筛选拟南芥T-DNA突变
体文库识别出编码HG-α-1→4-D-葡糖醛酸转移酶
的QUA1基因(AT3g25140), 其启动子插入突变体表
现为植株矮小、茎倒伏、细胞强度减弱。qua1-1
植物生理学报836
突变体茎中HG-α-1→4-D-葡糖醛酸转移酶的活性
急剧下降, β-1→4-D-木聚糖合成酶的活性下降约
40%。表明QUA1通过影响α-1→4-D-葡糖醛酸转
移酶和β-1→4-D-木聚糖合成酶的活性参与果胶和
半纤维素的合成过程(Orfila等2005)。
PoGT8E和PoGT8F在杨树木材形成的维管和
纤维中特异表达。将PoGT8E和PoGT8F分别在拟
南芥parvus突变体中过量表达均能使突变体中GX
含量和还原末端四糖结构回复到正常水平, 暗示
PoGT8E和PoGT8F参与了杨树木材形成过程中GX
的合成(Lee等2009b)。杨树基因PdGATL1.1和Pd-
GATL1.2与拟南芥PARVUS/AtGATL1氨基酸序列同
源性分别达82%和81%。将这两个基因在拟南芥
parvus突变体中过量表达, 能够回补突变体表型,
表明这两个基因与拟南芥PARVUS/AtGATL1基因
在GX合成中具有相似的生物学功能(Kong等2009;
Lee等2007b)。
GUX1 (AT3g18660)和GUX2 (AT4g33330)与
已知的参与木聚糖合成的基因共表达, 定位于高
尔基体上。不论是单突变体还是双突变体, 维管
束发育和细胞壁形态都未见变化, 但gux1突变体木
聚糖侧链上只含有70%甲基化的葡萄糖醛酸, gux2
突变体只含有20%甲基化的葡萄糖醛酸(与野生型
相比), gux1gux2双突变体中几乎检测不到甲基化
的葡萄糖醛酸, 尽管侧链减少了, 但木聚糖主链的
数量没有变化, 包括木糖在内的中性糖数量也没
有显著变化, 而gux1gux2双突变体中葡萄糖醛酸含
量显著下降, LM10和LM11的信号在单突变体中没
有减弱, 反而在双突变体中信号变强。gux1gux2双
突变体中几乎检测不到带葡萄糖醛酸和甲基化的
葡萄糖醛酸的寡糖, 表明GUX1和GUX2参与木聚
糖几乎所有侧链的合成。从gux1gux2双突变体中
更容易提取木聚糖, 只需要很少的酶就可以完全
水解木聚糖, 而且酶解双突变体的木聚糖能够释
放多野生型2倍的木糖(Mortimer等2010; Oikawa等
2010), 说明减少侧链可以提高木质纤维素可酵解
糖的释放, 通过改变木聚糖结构能够产生合适的
生物燃料作物。
此外, 最新的研究显示两个非糖基转移酶基
因也参与了木聚糖合成。拟南芥基因组中两个高
度同源的基因IRX15 (AT3g50220)和IRX15-L
(AT5g67210)与次生壁形成的标记基因共表达, 它
们都含有一个未知功能结构域579 (domain of un-
known function 579, DUF579)。这两个基因的单突
变体未显示明显的次生壁缺陷表型, 但双突变体
茎中木质部导管细胞显示中度萎缩, 花序茎也短
些和脆些。irx15突变体中木糖含量减少, irx15-l突
变体中木糖含量没有变化, irx15irx15-l双突变体中
木糖含量急剧下降; irx15次生壁中木聚糖含量减
少, irx15-l木聚糖含量没有变化, irx15irx15-l木聚
糖含量显著下降。双突变体中木聚糖只含有甲基
化的葡萄糖醛酸侧链, 但侧链频率没有改变。双
突变体中木聚糖链长短些, 但木糖转移酶活性却
没有显著下降, 含有正常水平的的还原末端寡糖
序列, 而且酶解细胞壁释放的单糖数量更多, 效率
更高。因此, 虽然irx15irx15-l显示缺失木聚糖的表
型, 但显然以一种不同的方式参与木聚糖合成而
代表了一类新的木聚糖合成必需基因, 这也是第
一例非糖基转移酶基因参与木聚糖合成(Brown等
2011; Jensen等2011)。
3 木聚糖的合成机制
生物利用不同的机制来合成复杂的多糖。从
核苷糖直接转移单糖来装配多糖, 或者单糖自身
首先被转移到一个脂质中间体, 寡糖然后装配在
脂质中间体上, 再转移到延伸的多糖链上。多糖
链的延伸可通过添加单糖到糖链的末端非还原端
或还原端。关于木聚糖的合成机制, York和O’Neil
提出了两种模型: 一种模型认为通过将木糖残基
加到还原端使主链延伸, 当新生的木聚糖链转移
到还原末端序列时链延伸就终止了; 另外一种模
型认为还原末端序列作为木聚糖延伸的“引物”, 依
次添加木糖到这个序列上使木聚糖链延伸。其中
IRX9、IRX14等蛋白参与链延伸, FRA8、IRX8、
PARVUS等蛋白参与还原末端序列的合成, IRX9、
IRX14和一个或多个CAZy外的蛋白(如IRX15)可
能都是木糖转移酶, 组合在一起形成一个木聚糖
合酶复合体, 这个复合体中的每一个蛋白催化木
聚糖主链延伸的不同步骤(Lee等2011, 2010; Li等
秦丽霞等: 参与植物细胞壁半纤维素木聚糖合成的糖基转移酶 837
2011; Faik 2010; Wu等2010; Zeng等2010; York和
O’Neil 2008; Peña等2007)。
4 结语
对上述木聚糖合成有缺陷的突变体的分析表
明IRX9、IRX10和IRX14主要参与主链的延伸,
FRA8 (IRX7)、IRX8和PARVUS主要参与还原末
端序列的合成, GUX1和GUX2主要参与侧链合
成。但到目前为止, 还没有直接的实验证据显示
其中的某个基因编码一个具有功能的糖基转移酶
来催化木聚糖合成中具体的一个反应。最新的研
究显示非糖基转移酶类基因如IRX15和IRX15-L也
参与了木聚糖主链的合成(Brown等2011; Jensen等
2011), 还需要更多的基因来合成木聚糖主链吗？
到目前为止, 还没有一个酶明确地显示具有木聚
糖合成酶活性, 也还没有在生化上鉴定木聚糖合
成酶。关于木聚糖主链合成的方向也不清楚。木
聚糖在许多植物中有一个还原末端序列, 可能作
为合成的引物或终止序列, 但到底起何种作用还
需要实验证据。在拟南芥中, 沿着木聚糖主链, 侧
链每隔7个木糖残基而存在(Brown等2007)。尽管
MALDI (matrix assisted laser desorption ionization)
分析显示侧链没有成簇, 还没有直接的信息阐明
这些侧链的分布或者葡萄糖醛酸和甲基化葡萄糖
醛酸侧链显示特异的分布。尽管GUX1和GUX2几
乎可以合成所有的侧链, 但是否还有其他酶类参
与, 这些侧链到底还有哪些作用也有待阐明。此
外, 木聚糖主链、还原末端序列和侧链合成之间
的相互关系以及它们是如何被调节的也有待深入
研究。
拟南芥木聚糖的结构与许多裸子植物和被子
植物的相似, Lee等(2011, 2009a)最新的研究显示,
PtrGT47C和PtrGT8E/8F分别与拟南芥中的FRA8
和PARVUS功能相似, 都参与木聚糖还原末端序列
的合成, PtrGT43A/B/E和PtrGT43C/D分别与拟南
芥IRX9和IRX14功能类似, 都参与木聚糖主链的延
伸。这些结果显示木聚糖合成的生化机制在拟南
芥和杨树中是非常保守的。一个有趣的问题就是
其他的植物是否也利用类似的机制来合成木聚
糖。我们利用这些基因产物的保守序列在棉纤维
的EST库中也找到了同源基因, 绝大多数基因在棉
纤维次生壁加厚阶段高表达(未发表)。随着新技
术的产生, 对这些基因更深入的生化分析将为阐
明木聚糖合成的分子机制以及提高生物质利用效
率提供重要理论依据。
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