全 文 ：武汉植物学研究 2007，25(4)：377—380
Journal Wuhan Botanical Research
植物角质层蜡质合成与调控的分子生物学研究进展
胡晓敏，张志飞，饶力群 ，黄 卫
(湖南农业大学生物科学技术学院，长沙 410128)
摘 要：角质层覆盖于陆生植物的地上部分。沉积于其表面的外角质层蜡质组成了植物与外部环境之间的屏障。
蜡质的合成是由大量酶类协同作用的结果，又是一个积极可调控的过程。综述了近年来角质层蜡质合成与调控的
分子生物学研究进展，包括突变体筛选、基因克隆和鉴定 ，以及功能基因组学研究等三方面，并对植物蜡质代谢基
因克隆鉴定中存在的问题进行了探讨。
关键词：角质层蜡质；突变体；基因；微阵列
中图分类号：Q753 文献标识码 ：A 文章编号：1000-470x(2007)04．0377·04
M olecular Biology Research Progress in the Biosynthesis
and Genetic M anipulation of Plant Cuticular W ax
HU Xiao-Min，ZHANG Zhi-Fei，RA0 Li-Qun’，HUANG Wei
(Colege ofBiascience and Biotechnology，Hunan Agriculture Unitersity，Changsha 410128，China)
Abstract：The cuticle covers the aerial organs of land plants．Epicuticular wax，deposited on the surface，
constitutes a barrier between the plant and its environment．Wax biosynthesis requires the coordinated
activity of a large number of enzymes with genetic manipulation．The recent progress in the mutant
screening，cloning，functional characterization and expression regulation of genes involved in Wax meta-
blizm was reviewed and the existing problems were discussed．
Key words：Cuticular wax；Mutant；Gene；Microarray
所有植物的地上部分表皮细胞外都覆盖着角质
层。角质层的主要功能是防止植物水分损失，同时
也是外源物质渗入和微生物入侵的有效屏障。作为
植物角质膜的表面部分，植物角质层结构由外到内
依次为外角质层蜡质(epicuticular wax)、包埋蜡质
(intracuticular Wax)和角质层基质 (cutin matrix)。
即角质膜由外层的高度亲脂的角质层，向内逐渐过
渡到亲水的纤维素、果胶质。
植物角质层蜡 质主要 由饱和极长链脂肪酸
(very long chain faty acid，VLCFA)及其衍生物组
成，还包括萜类和其它微量的次级代谢物如固醇和
类黄酮类物质 J¨。外角质层蜡质是由长链 (C20．
C37，少数的长可达 C50)的烷烃、伯醇、仲醇、醛、酮
组成；包埋蜡质则是由垂直于叶面的中等长链的脂
肪酸(C16一C18)和长链碳氢化合物组成。作为一个
复杂的过程，植物角质层蜡质的合成以极长链脂肪
酸为前体，分为两个主要合成途径：一是乙酰还原途
收稿日期 ：2006·12-30，修回日期：2007-04-02。
作者简介 ：胡晓敏(1982一)，男 ，硕士，研究方向为分子生物学。
· 通讯作者(E-mail：raoliqun@163．con1)。
径(the acyl—reduction pathway)，主要生成伯醇和酯；
二是脂肪酸脱羧途径(the decarbonylation pathway)，
主要生成醛、仲醇、烷烃和酮类。合成 的产物 由
ABC transporter(ATP binding cassete transporter)输
送出细胞质膜，最终由脂转运蛋白(1ipid transfer
proteins，LTP)运至植物角质层。
一 般来讲，更多的蜡质位于外角质层蜡质，多呈
现出绿灰色或灰白色。角质层蜡质的物理化学性质
决定了其功能对植物生命活动的重要性。它限制了
非气孔性的水分散失，降低紫外线辐射损伤 ，3 J，还
通过降低植物表皮的水分含量减少了灰尘、花粉和
大气污染物的沉积 J。此外，表皮蜡质还被认为
在抵抗细菌和真菌病原体的侵害方面起到重要作
用‘。 ，并且还参与了植物与昆虫的相互作用【 。鉴于
角质层蜡质在植物抗逆境方面的重要作用，越来越多
的研究开始关注这一领域，并在蜡质突变体的筛选、
蜡质基因克隆与功能鉴定等方面取得众多进展。
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378 武 汉 植 物 学 研 究 第25卷
1 蜡质突变体的筛选
Delaert等 于 1979年报道了第一个拟南芥角
质层蜡质突变体，并取名为 eceriferum(cer)。通过
识别植株是否有白色粉状或外表是否光泽，Koorn．
neef等 鉴定了一共位于 21个拟南芥突变位点的
89个蜡质突变体，这些位点包括 CER1至 CER20
(、ECERIFERUM、)。及rrs(TRANSPARENT TESTA5、)
由于拟南芥基因组测序的完成和近年来 T．DNA插
入突变技术的不断完善，目前根据拟南芥茎表面白
色粉状蜡质层缺失突变已筛选出 120多个上表皮层
突变体，代表 32个突变位点 ，而另一被广泛研究
的作物大麦(Hordeum vuZgare)也已被筛选出 85个
突变位点之多 J¨。其它物种包括玉米(Zea mays)、
高粱(Sorghum bicolor)和油菜(Brassica napus)中已
经鉴定出有蜡质缺失突变体 J，其中拟南芥和大麦
中的突变位点被命名为 eceriferum(cer)，玉米、高粱
和油菜中的突变位点被称为glosy。
然而，大部分蜡质突变体并未表现出蜡质代谢
中间产物的积累，相反多表现为合成前体转向另一
分支代谢途 径，因而导致 了蜡质组分 的复杂变
化 ¨ ]。只有表皮蜡质含量变化达到一定量时，才
可以通过目测法筛选突变体，比如调控基因突变体
和影响表皮发育的基因突变体。而单个合成酶类的
突变体则难以发现。事实上，许多酶促反应步骤的
基因仍未获得。对于传统的目测法来说，需要突变
体的蜡质晶体密度发生一定程度的变化才能使肉眼
观察到，而达不到这一阈值时则将不可避免地遗漏
可能的突变体。这些遗漏的也许是占相当比例甚至
是大部分的蜡质突变体。
有鉴于此，Aaron M．Rashote等 ¨认为目测法
难以胜任对大量突变体的筛选工作。他们建立了一
种更为严格的方法，即对用 甲基磺酸乙酯 (ethyl
methane sulfonate，EMS)诱变的拟南芥，采用气相色
谱检测花序茎的角质层蜡质主要组分的变化 ，为提
高染色体定位的效率，他们采用了PCR．简单序列长
度多态性分析(simple sequence length polymorphism，
SSLP)进行基因作图。通过这一方法，Aaron M．Ra-
shote等 3¨J从 1229个样品中得到 75个可能的突变
体，并进一步筛选得到了3个新的拟南芥蜡质突变
体：cer22、cer23和 cer24。cer22和 cer23具有光泽的
外表，而 cer24与野生型外表无异。其中 cer22突变
体可能阻碍了C30醛向C29烷烃的转化，其茎的蜡
质组分中C30醛的含量相对野生型上升了204％，
而 C29烷烃、C29仲醇和 C29酮含量都有着不同程
度的下降。在cer23突变体的茎中，C26和 C28伯醇
的含量有极显著的上升(167％和 194％)，C30醛、
C29烷烃、C29仲醇和 C29酮则普遍下降。cer24突
变体的茎较野生型相比，仅有 C28和 C30伯醇含量
有显著下降，CER24基因产物被认为与 C28和 C30
脂肪酸的还原有关。
2 蜡质合成与调控基因的克隆和鉴定
经过多年的研究，虽然人们已初步了解植物角
质层蜡质合成途径代谢，但是对参与植物角质层组
分代谢的基因及基因调控过程却知之甚少。现在，
大量的序列信息和基因组序列数据库无疑成为现今
鉴定新基因有力工具。而不断克隆得到的新基因为
阐明蜡质合成的遗传机制带来了新的突破。
Kunst和 Samuels 综述 了植物角质层蜡质的
合成与分泌过程，对已知的35个编码蜡质合成酶的
基因做了一个归纳，Patrieia Costaglioli等 ¨以此为
基础从公共数据库(TIGR，TAIR，Arabidopsis Mem·
brane Protein Library，The Arabidopsls Lipid Gene Da—
tabase)中检索得到 147个相似序列作为蜡质合成基
因候选基因。
2004年，Broun等L】 克隆了乙烯反应因子型转
录因子基因 删 。在转基 因拟南芥 中超强表达
WIN1，其叶片中的蜡质含量达到对照组 4．5倍 以
上，茎中蜡质含量也有显著增长。而许多与蜡质合
成相关的基因如 CER1、KCS1和 CER2均受到 WIN1
诱导，这可能是由于 M 增强了某些蜡质合成途
径基因表达水平。
2004年，Pighin等 ¨发现 ABC transporter在蜡
质穿过上皮细胞膜到植物表面的过程中起关键作
用，而 CER5基因编码一个位于细胞质膜的WBC12
transporter。与其它突变体不同，cer5突变体细胞质
脂内含物具有一种独特结构，而这一结构竟与遗传
疾病肾上腺白细胞营养不 良症(adrenoleukodystro．
phy。ALD)病人出现的情况极为相似。ALD是由一
种 ABC transporter缺陷导致的。
2005年，Sturaro等L】 ]从玉米中克隆得到
GLOSSY／基因。glosyl突变体无论在蜡质含量还
是蜡质组成均较野生型有较大差异。 DSS 基因
预测蛋白质产物含有 3个富含组氨酸区域，且与从
拟南芥得到的 WAX2在氨基酸顺序上具有较高的同
源性(62％)。
2005年，Zhang等 】副从豆科模式植物蒺藜状苜
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第 4期 胡晓敏等：植物角质层蜡质合成与调控的分子生物学研究进展 379
蓿(Medicago truncatula)中克隆得到认为编码转录
因子的基因 WXP1并将其转入紫花苜蓿(Medicago
sativa)中过量表达。该基因具有一个保守的 AP2
区域，与拟南芥的 AtRAP 2．4相似性较高，达到
48．8％。转 WXP1的紫花苜蓿叶片中主要增加了伯
醇含量，而烷烃等其它蜡质成分没有显著变化，说明
WXP1主要参与蜡质合成途径中的乙酰还原途径。
2006年，Rowland等 ¨从拟南芥中克隆得到编
码脂酰 CoA还原酶的 CER4基因。在酵母 中表达
CER4的eDNA，导致 C24和 C26伯醇的累积。通过
RT．PCR对该基因的表达进行分析，发现 CER4在
叶、茎、花、角果和根中均有表达，并专一于角质层蜡
质合成。
3 拟南芥蜡质合成功能基因组学研究
分子生物学研究的重要模式植物拟南芥和重要
单子叶农作物模式植物水稻的基因组测序完成后，
植物生物学的研究热点已转向功能基因组学。确定
大量基因的功能，并进而从整体水平研究基因及其
产物在不同时间、空间和内外部条件下形成的控制
生物体代谢和发育的调节网络及活动规律是功能基
因组学研究的核心问题。
虽然新的蜡质合成基因被不断克隆得到并鉴
定，但是就目前为止，人们从不同植物中得到的蜡质
基因数目还非常有限。为了进一步阐明蜡质合成途
径，Patrieia Costaglioli等 ¨首先从拟南芥基因组中
选取 147个蜡质合成基因相似序列和 135个编码
ABC transporter的基因作为候选基因，以生长 15 d
的拟南芥幼苗为材料，运用微阵列技术(mieroaray)
对这282个基因在植株地上部分的表达水平分类进
行分析，其中204个基因的表达被检测到，包括 18
个酮脂酰 CoA合成酶(beta—keto acyl—CoA synthase，
KCS)、2个酮脂酰 CoA还原酶(beta．keto acy1．CoA
reductase，KCR)、5个反烯酰 CoA还原酶(~ans-2一
enoyl—CoA reduetase，ECR)、6个脂酰 CoA还原酶
(faty acyl—CoA reduetase，FAR)、1O个蜡质合成酶
(wax synthase，ws)、3个蜡质合成酶／甘油二酯酰基
转移酶 双 功 能酶 (bifunetional wax synthase／dia．
eylgyeerol acyltransferase，WS／DGAT)、37个脂质转
运蛋 白 (1ipid transfer protein，LTP)、113个 ABC
transporter和 1O个 CER相关基因。这204个候选
基因中只有25％的表达量达到显著水平，这大大缩
小了拟南芥蜡质基因研究的范围。值得注意的是，
被认为参与乙酰还原途径的 8个 FAR基因同源序
列和 12个 WS基因同源序列要么表达量很低，要么
根本检测不到。也就是说在拟南芥中，乙酰还原途
径中的FAR和 WS基因还未被鉴定出来，或者伯醇
和酯有另外的合成途径。而拟南芥共 135个被鉴定
为ABC transporter的编码序列中，113个基因的表
达量要低于背景值，只有 3个高度表达，28个为中
等程度，22个为较低程度，其中 CER5基因编码的
WBC12 transporter表达程度为低水平。这一结果证
实了 Pighin等 ¨认为在蜡质转运过程中还具有其
它转运体的观点。
4 回顾与展望
植物角质层蜡质对植物生命活动的重要性促成
人们对蜡质合成与调控研究的巨大关注。Kolatu—
kudy[加’
，yon Wetstein—Knowles[ 等研究先驱为
我们揭示了蜡质合成的基本途径。对拟南芥和其它
物种突变体的分离，结合对突变体表型的生物化学
分析，为蜡质合成基因产物的分析鉴定和对大量蜡
质合成基因的克隆创造了条件。然而，这些传统的
遗传学方法具有较大的随机性，需要筛选大量的突
变体，工作量大。到目前为止，仍有大量与蜡质合成
途径有关的合成、调控和转运途径的基因尚未获得，
对蜡质转运和合成调控的分子机理的了解依然不甚
清楚。
要获得更多蜡质合成相关基因、了解它们在植
物蜡质合成中的具体作用和地位，一方面需要对蜡
质突变体筛选、基因克隆与功能分析鉴定等的传统
方法加以改进；另一方面，利用基因组学工具如转录
后基因沉默(post transcribed gene silencing，PTGS)
或 RNA干扰(RNAi)技术创造突变体，病毒诱导基
因沉默(vires—induced gene silencing，VIGS)技术鉴
定基因功能等都已展现出良好的前景。随着这些新
技术的逐渐成熟和广泛应用，将为植物角质层蜡质
合成机理的深入研究带来新的动力。
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