全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(1): 76−83 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家自然科学基金项目(30571186); 湖南农业大学人才基金项目(05WD16)
作者简介: 田志坚(1980−), 男, 硕士, 细胞生物学专业。E-mail: tianzhijian@126.com
* 通讯作者(Corresponding author): 张学文, 男, 教授, 博士生导师, 从事细胞生物学及基因工程研究。E-mail: xwzhang@hunau.net
Received(收稿日期): 2007-04-23; Accepted(接受日期): 2007-07-31.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00076
苎麻纤维素合成酶基因 cDNA的克隆及表达分析
田志坚1 易 蓉1 陈建荣2 郭清泉3 张学文1, *
(1湖南农业大学生物科学技术学院, 湖南长沙 410128; 2中国农业科学研究院麻类研究所, 湖南长沙 410205; 3湖南农业大学
苎麻研究所, 湖南长沙 410128)
摘 要: 以苎麻 [Boehmeria nivea (Linn.) Gaud.] 栽培种湘苎 3号为材料, 通过简并引物RT-PCR结合RACE技术首次
成功克隆苎麻纤维素合成酶基因BnCesA1 5′端 450 bp序列以外的全部cDNA 序列, 序列长 3 276 bp, 编码一段 938个
氨基酸的蛋白质。经基因比对及蛋白质结构分析确证是苎麻纤维素合成酶基因。半定量RT-PCR分析显示：BnCesA1
在苎麻根、茎、叶和芽组织中均有表达, 其表达量为茎＞叶＞芽＞根, 相对表达量依次为 0.791、0.381、0.319和 0.183。
从其表达模式可以推测该基因同时参与了苎麻细胞初生和次生细胞壁纤维素的合成。
关键词: 苎麻; 纤维素合成酶; cDNA克隆; 表达分析
Cloning and Expression of Cellulose Synthase Gene in Ramie [Boehme-
ria nivea (Linn.) Gaud.]
TIAN Zhi-Jian1, Yi Rong1, CHEN Jian-Rong2, GUO Qing-Quan3, and ZHANG Xue-Wen1, *
(1 College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan; 2 Institute of Bast Fiber Crops, Chinese
Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, Hunan; 3 Institution of Ramie, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan,
China)
Abstract: In this study, total RNA was extracted from ramie, and then cDNA was obtained through reverse transcription. Degen-
erate primer was designed to amplify a fragment of cellulose synthase gene so as to obtain the gene using RACE. The fragment
contained the whole 3′-end with ploy(A) and most 5′-end excluding 450 bp of the 5′-end of the expected cDNA. There sequences
were sequenced respectively and spliced into a cDNA sequence which was 3 276 bp in length, and could be translated into protein
with 938 amino acids in the reading frame. BLAST and protein structure analysis confirmed that this cDNA sequence was the
Ramie cellulose synthase gene. According to the cellulose synthase gene denomination regulation, it was designated as BnCesA1
and submitted to GenBank l. Its accession number is DQ077190. In order to investigate the expression and regulation mechanism
of BnCesA1 in different tissues of Ramie, the nonconservative sequence at 3′-end of BnCesA1 was amplified by semi-quantitative
RT-PCR respectively at the same time. Taking 18S rRNA gene as an inner control, the integrate optic density (IOD) of BnCesA1
and 18S rRNA gene bands were detected with gel analysis software and defined the ratio of IOD as relative expressive quantity.
The results indicated the expression of BnCesA1 could be found in leaf, stem, root and bud in Ramie. The expression level in
tissues from high to low is stem, leaf, bud and root, with the relative content of 0.791, 0.381, 0.319, and 0.183 respectively. The
deduced BnCesA1 protein shows a high concordance and homology to Arabidopsis thaliana AtCesA1 (87/93%). Thus BnCesA1
maybe serve a dual role as a CesA involved in both primary and secondary cell wall biosynthesis. Further studies are currently in
progress to substantiate this hypothesis.
Keywords: Rmaie (Boehmeria nivea); Cellulose synthase; cDNA cloning; Expression analysis
苎麻是我国重要的纤维作物之一, 其纤维是
重要的纺织原料, 纺织品也是我国传统的出口创

汇产品[1]。苎麻单纤维粗而长、强度高、品质好[2]。
苎麻纤维质量及产量一直是育种工作者关注的目

第 1期 田志坚等: 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA的克隆及表达分析 77


标。采用常规育种方法, 苎麻产量有很大提高, 但
包括细度在内的诸多品质性状一直没有很大改
善。近来随着生物技术的发展, 及一些模式植物纤
维素合成分子生物学研究取得了良好的进展[3-7], 为
开展苎麻纤维素合成的分子生物学研究及改良提供
了丰富的参考。
纤维素合酶催化合成β-1,4 糖苷链[8], 是一种重
要的糖苷转移酶。1996 年, Delmer小组从植物中克
隆出第一个纤维素合成酶基因, 表明高等植物中存
在编码纤维素合成酶的基因, 更准确地说, 应称为
编码纤维素合成酶的催化亚基 (cellulose synthase
subunits, CesA)的基因[9]。功能研究方面, Burton等[10]
利用病毒诱导植物纤维素合成酶基因沉默的方法来
研究CesA 基因的功能, 将与CesA基因相关的 3 个
特异cDNA片段分别插入马铃薯X病毒载体中, 并接
种到烟草(Nicotiana benthamiana)上进行基因功能分
析。结果感染的植株表现出节间缩短, 小叶和侏儒
症状 , 叶表面由于缺少纤维素而表现为细胞膨胀 ,
叶片的多聚糖含量降低了 25%。CesA 基因的转录水
平降低 , 表明cDNA片段使一个或多个纤维素合成
酶基因沉默。Chu Z等[11]在敲除拟南芥AtCESA2基因
后拟南芥的微管定位发生了变化, 细胞异常膨胀证
明AtCESA2 基因参与了拟南芥细胞壁的形成过程。
目前在经济作物中, 杨树、桉树纤维素合成酶研究
较深入, 已经克隆出多个杨树、桉树的纤维素合成
酶基因 , 并对其功能及结构进行了详细的研 究
[12-15], 但尚未见关于苎麻纤维素合成酶基因相关研
究的报道。本研究通过对苎麻中纤维素合酶基因的
分离、序列分析、相应的功能验证及转基因研究, 为
提高苎麻纤维产量和质量开辟新的道路; 为揭示苎
麻中纤维素合成途径及与其他相关蛋白质的作用提
供有利的佐证。
1 材料与方法
1.1 材料
苎麻[Boehmeria nivea (Linn.) Gaud.]栽培种湘
苎 3号。
1.2 方法
研究采用生物信息学辅助分析, 通过简并 PCR
结合 RACE 技术克隆苎麻纤维素合成酶基因, 并通
过半定量 RT-PCR 的方法研究其在苎麻不同组织中
的相对表达量。
1.2.1 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA序列的克隆
1.2.1.1 苎麻总RNA的分离 取田间生长旺盛的
苎麻茎杆上部幼嫩茎段组织约 200 mg, 按 TRIZOL
试剂说明书操作, 提取总 RNA。
1.2.1.2 苎麻纤维素合成酶基因cDNA序列中间片
段的克隆 以仅在拟南芥茎的次生壁形成时表达
的 AtCesA7 蛋白氨基酸序列(GenBank登陆号：
AF091713)为探针, 运用BLAST程序对GenBank进
行联机搜索, 选取 SCORE和E值较高的前 25个序列
以在线 CLUSTALW1.82程序进行序列多重比对, 分
别在 N 末端和 C 末端找到 2个高度保守的氨基酸区
域 V I C E I W F A和 E Q F W V I G, 设计简并引物
Forward primer B1: 5′-GT(A/T/G/C)AT(A/T/C)TG(T/
C)GA(A/G)AT(A/T/C)TGGTT(T/C)GC-3′; Reverse
primer B2: 5′-(A/T/G/C)CC(A/T/G)A T(A/T/G/C)ACC
CA(A/G)AA(T/C)TG(T/C)TC-3′。
采用RevertAid First Strand Synthesis Kit (Fer-
mentas)合成cDNA第一链。RT-PCR体系为 25 μL, 含
Sterile deionized water(11.5 μL)、 10× PCR bu-
ffer(2.5 μL)、10 mmol L−1 dNTP Mix(2.5 mmol L−1
each, 1 μL)、10 μmol L−1 Forward primer(2.5 μL)、10
μmol L−1 Reverse primer 2(2.5 μL)、1 U μL−1 Taq
DNA polymerase(1 μL)、25 mmol L−1 MgCl2(3 μL)、
RT mixture(1 μL)。
采用 Eppendorf 5331梯度 PCR仪进行 PCR, 反
应程序为 95℃预变性 4 min、94℃变性 1 min、53℃
退火 50 s、72℃延伸 3 min共 40循环, 最后 72℃延
伸 10 min。
将 PCR产物采用安比奥公司凝胶回收试剂盒进
行切胶、回收、纯化。连接到 pMD18-T(TaKaRa)载
体上, 热激转化到大肠杆菌 InvαF感受态细胞, 进行
Amp抗性筛选和 X-gal/IPTG蓝白斑筛选。选取白色
菌落做菌落 PCR, 将检测为阳性的菌落进行液体培
养, 强碱法进行质粒 DNA 分离, 以限制性内切酶
PstⅠ和 BamHⅠ酶切, 检测重组质粒插入目的片段
的情况。选取 PCR检测及酶切检测均为阳性的菌落
送上海申能博彩生物技术公司测序。
1.2.1.3 苎麻纤维素合成酶基因cDNA 5′端和 3′端序
列的克隆 分别采用BD SMART RACE cDNA
Amplification Kit(BD Bioscience Clontech)和TaKaRa
5′-Full RACE Core Set试剂盒进行 3′端和 5′端的
RACE反应。3′RACE反应根据获得的苎麻纤维素合成
酶基因中间片段设计基因特异引物GSP2： 5′-C
AATCTATTGTATGCCTCCTCGCCCGG-3′; 5′RACE
反应根据获得的苎麻纤维素合成酶基因中间片段设
78 作 物 学 报 第 34卷

计两对巢式扩增引物Forward primer A1：5′-GTC-
AGTACAGTGGATCCTCTC-3′ 及 Reverse primer
S1：5′-ATCATACCTTAGAGCAAGCCTATCC-3′和第
二轮巢式 PCR扩增特异引物： Forward primer
A2 5′-GATGGTTCAGCAATGCTGAC-3′ 及 Reverse
primer S2： 5′-GGCGAACCAAATTTCACATATTA-
C-3′。

μL)、10 mmol L
将 3′RACE产物和 5′RACE产物分别回收, 并连
接到 pMD18-T载体上, 按照 1.2.1.2的方法经过菌落
PCR 及双酶切鉴定, 分别挑取阳性单菌落, 送上海
英骏生物技术公司测序。
1.2.1.4 苎麻纤维素合成酶基因序列拼接及生物信
息学分析 序列比对在Clustal X软件上进行, 序
列拼接、ORF查找、ORF翻译、蛋白质基本性质等
在DNAMAN和BioEdit软件上进行, GenBank BLAST
和蛋白质序列的CDD搜索在NCBI网站上进行 , 蛋
白 质 结 构 分 析 在 http://bip.weizmann.ac.il/,
www.expasy.org和http://www.predictprotein.org/等网
站提供的各生物信息学软件上进行。
1.2.2 苎麻纤维素合成酶基因在苎麻不同组织中的
表达 为了进一步了解 BnCesA1基因在苎麻组织
中的表达情况, 揭示苎麻纤维素合成及其基因表达
调控机制, 以试管苗为供试材料, 18S rRNA为内参
基因, BnCesA1 基因 3′非保守区域为检测目的基因,
应用 RT-PCR 技术对苎麻纤维素合成酶基因的表达
进行半定量, 建立一个特异、稳定的 RT-PCR半定量检
测体系, 有效地研究 BnCesA1在不同组织中的表达。
1.2.2.1 苎麻不同组织总 RNA提取及 cDNA第一链
的合成 用 TRIZOL分别提取苎麻试管苗根、茎、
叶和芽总 RNA, 各别取 5 μg总 RNA采用 Revert Aid
First Strand Synthesis Kit (Fermentas)以随机引物进
行反转录合成 cDNA第一链。
1.2.2.2 以cDNA为模板的PCR 以随机引物进
行反转录, 以 18S rRNA基因为内参进行PCR扩增。
目的基因扩增引物为Forward primer EX1：5 ′-
CATTCAAGGGTTCTGCTCCTA-3′; Reverse pri- mer
EX2：5′ -CGGGAGCAAAAGATCCTGTAT-3′。18S
rRNA基因扩增引物为Forward p r imer 18S-1 :
5′-ATGATAACTCGACGGATCGC-3′; Reverse primer
18S-2: 5′-CTTGGATGTGGTAGCCGT-3′。18S rRNA
基因与目的基因采用同机分管扩增, PCR体系 25 μL,
含Sterile deionized water(20 μL)、10×PCR buffer(2.5

−1 dNTP Mix(2.5 mmol L−1 each, 1
μL)、100 μmol L−1 Forward primer(0.15 μL)、100
μmol L−1 Reverse primer 2(0.15 μL)、1 U μL−1 Taq
DNA polymerase(1 μL)、25 mmol L−1 MgCl2(3 μL)、
RT mixture(1 μL)。
PCR程序为 95℃预变性 4 min、94℃变性 1 min、
57.3℃退火 50 s、72℃延伸 1 min, 循环 25∼45次, 最
后 72℃延伸 10 min。
1.2.2.3 PCR 产物电泳和分析 PCR 产物经 1%
琼脂糖凝胶电泳检测, 并以天能凝胶成像系统成像,
以凝胶定量分析软件 Bandscan对电泳图进行条带密
度扫描 , 分别获得不同组织、不同反应循环数的
BnCesA1 基因和 18S rRNA 基因的条带整合光密度
值(integrated optical density, IOD)。
2 结果与分析
2.1 苎麻总 RNA的分离
RNA琼脂糖凝胶电泳分析结果(图 1)显示, 28S
rRNA和 18S rRNA两条主带明显, 且 28S rRNA条带
亮度约为 18S rRNA条带亮度的 2 倍。紫外检测总
RNA浓度为 0.7434 μg μL−1, OD260/OD280 = 1.86, 其
浓度和质量达到了反转录的要求。



图 1 苎麻总 RNA提取结果
Fig. 1 Total RNA preparation from Ramie
泳道 1和 2：同一苎麻材料 RNA(上样量不同)。
Lanes 1 and 2: RNA extracted from the same Ramie material
lectrophoresis with different loading quantities(e )

2.2 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA序列的克隆
苎麻纤维素合成酶基因 cDNA序列中间片段、5′
端序列和 3′端序列的克隆结果分别见图 2、图 3和图
4。以 cDNA 为模板, 中间片段扩增反应中, 以 B1
与 B2引物扩增得到约 1.86 kb的条带; 3′ RACE扩增
反应中, 以 GSP2与 UPM引物扩增得到约 1.3 kb的
条带; 5′ RACE扩增反应中, 以 A1、S1引物及 A2、
S2引物进行巢式扩增得到约 480 bp的条带。
第 1期 田志坚等: 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA的克隆及表达分析 79




图 2 BnCesA1基因中间片段扩增
Fig. 2 PCR product of intermediate fragment of BnCesA1
M: 1 kb DNA分子量标准; 泳道 1~3：不同浓度Mg2+扩增结果。
M: 1 kb DNA marker; Lanes 1−3: Different concentration of Mg2+.



图 3 BnCesA1基因 5′RACE扩增结果
Fig. 3 Product of BnCesA1 gene 5′ RACE amplification
M: 1 kb DNA分子量标准; 泳道 1~5: 不同浓度Mg2+第二轮PCR
扩增结果; 泳道 6~10：不同浓度Mg2+第一轮PCR扩增结果。
M: 1 kb DNA marker; Lanes 1–5: Nested amplification using
different concentration of Mg2+; Lanes 6–10: First time amplifica-
tion using different concentration of Mg2+.



图 4 BnCesA1基因 3′RACE扩增结果
Fig. 4 Product of BnCesA1 3′RACE amplification
M: 1 kb DNA分子量标准; 泳道 1和 2: 3′RACE扩增结果。
M: 1 kb DNA marker; Lanes 1 and 2: Product of 3′RACE.

2.3 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA序列测定及生
物信息学分析
2.3.1 测序结果与序列分析 以 DNAMAN 软件
将中间片段测序结果、3′端序列测序结果和 5′端序列
测序结果进行拼接后获得长 3 276 bp的核酸序列(5′
端缺少包括起始密码子在内的约 450 个碱基), 编码
一段 938个氨基酸的推导性蛋白质(图 5)。
用 BLAST在线分析软件 (http://ncbi.nlm.nig.
gov/blast)将BnCesA1 基因cDNA部分序列及推导性
蛋白质与GenBank中的序列进行同源性比较 , 发现
该基因核苷酸序列与颤杨(Populus tremuloides AY
162181)、桉树(Eucalyptus grandis DQ014509)、马铃
薯(Solanum tuberosum AY221089)、大叶相思(Acacia
mangium AY643519)、拟南芥(Arabidopsis thaliana
NM_119393)、绿竹(Bambusa oldhamii DQ020207)和
玉米(Zea mays AF200526)等植物中的CesA基因具有
较高的同源性, 同源性均大于 80%; 氨基酸水平上
与绿竹(Bambusa oldhamii AAY 43218)、玉米(Zea
maysAAF89963)、水稻(Oryza sativa AAU44296)、大
麦 (Hordeum vulgare AAR 29967) 、 拟 南 芥
(Arabidopsis thaliana NP_194967)、马铃薯(Solanum
tuberosum AY221089)、颤杨 (Populus tremuloides
AAO25366)、大叶相思(Acacia mangium AAT66940)
和桉树(Eucalyptus grandis AAY60847)等植物的纤
维素合成酶同源性均大于 90%。核酸水平和蛋白质
水平上均与颤杨纤维素合成酶PtCesA4 同源性最高,
分别为 85%和 96%。这表明我们已经成功地克隆了
苎麻CesA基因序列(5′端缺少包括起始密码子在内的
约 450 bp)。这是首次从苎麻中克隆到纤维素合成酶
基因, 也是报道的第一个荨麻科(Urticaceae)植物纤
维素合成酶基因。将该基因登陆到GenBank, 登录
号：DQ077190。
2.3.2 苎麻纤维素合成酶基因编码蛋白结构特征
分析 通过在线分析软件(http://www.predictpro-
tein. org/)对苎麻纤维素合成酶蛋白质结构特征进行
分析, 结果显示在苎麻纤维素合成酶蛋白质序列中
包含了N-糖基化位点、蛋白激酶C磷酸化位点、酪蛋
白激酶Ⅱ磷酸化位点、酪氨酸激酶磷酸化位点、N-
肉豆蔻酰化位点、氨基化位点和原核膜脂蛋白脂结
合位点等功能性模体, 有证据表明CesA蛋白是N-糖
基化的 [16]。经预测在苎麻纤维素合成酶蛋白质中具
有 8 个跨膜螺旋 , 位置分别在N端 130~147、
160~177、717~734、747~764、788~805、836~853、
869~886、899~916共 8个区段[17], 与在其他植物纤
维素合成酶蛋白中的研究结果一致, 即植物纤维素
合成酶共有 8个跨膜区, 其中有 2个在N-末端, 另外
6个在C-末端 。另外, 在酶蛋白序列中还发现了植
物纤维素合成酶底物结合结构域 ——
[18]
D1, DxD2(D代
表天冬氨酸残基, x为任意氨基酸)以及催化反应结
构域—— D3, QVLRW(D：天冬氨酸, Q：谷氨酸, V：
缬氨酸, R：精氨酸, W：色氨酸)[19]。
2.4 半定量 RT-PCR结果
通过对目的基因EX1-2 引物最佳退火温度、镁
80 作 物 学 报 第 34卷

以凝胶定量分析软件 Bandscan对电泳图进行条
带密度扫描 , 比较苎麻纤维素合成酶和同组 18S
rRNA 基因扩增产物的荧光强度, 计算出苎麻纤维
素合成酶基因在苎麻不同组织表达的相对含量(表 1,
图 7)。
离子浓度、PCR反应循环数的确定以及 18S rRNA基
因扩增反应镁离子浓度优化, 得到目的基因及 18S
rRNA基因扩增体系中最佳镁离子浓度为 3.0 mmol
L−1, 退火温度为 57.3 , ℃ 反应循环数为 35 个循
环。在此反应条件下, 以不同苎麻组织cDNA为模板,
PCR产物电泳结果表明, 目的基因扩增产物只在约
1.3 kb处有一特异性条带, 大小与预期设计一致, 表
明苎麻纤维素合成酶基因在苎麻多个组织中均有表
达。内参 18S rRNA基因扩增产物只在约 189 bp处有
一特异性条带, 与预期大小一致。同时, 每一组样品
以 18S rRNA作为内参照, 分别在相同反应条件下进
行 3次平行PCR扩增, 扩增结果见 图 6。
从量化数据来看, 在根中BnCesA1 基因的相对
表达量为 0.183, 茎为 0.791, 叶为 0.381, 芽为 0.319,
总的规律是茎＞叶＞芽＞根。作为韧皮纤维植物 ,
从组织学与解剖学上已经证明麻纤维成束聚集生长
在苎麻的韧皮部或叶中 , 茎部纤维素含量最高 ,
本研究进一步
[20]
从分子水平间接证实了这一点。



图 5 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA及推导蛋白质序列
Fig. 5 cDNA and putative protein sequences of cellulose synthase gene of ramie

第 1期 田志坚等: 苎麻纤维素合成酶基因 cDNA的克隆及表达分析 81




图 6 苎麻不同组织中 BnCesA1和 18S rRNA基因 RT-PCR扩增产物电泳分析
Fig. 6 Gel electrophoresis result of BnCesA1 and 18S rRNA gene RT-PCR products from different ramie tissues
M: 1 kb DNA 分子量标准; 泳道 1: 芽; 泳道 2：茎; 泳道 3：叶; 泳道 4：根。
M: 1 kb DNA marker; Lanes 1–4: different ramie tissues: bud, stem, leaf, and root.

表 1 苎麻不同组织 BnCesA1和 18S rRNA基因扩增产物 IOD值
Table 1 Integrated OD of each band corresponds to BnCesA1 and 18S rRNA gene of different cycles and tissues
组织
Tissue
项目
Item
第一组
Group 1
第二组
Group 2
第三组
Group 3
IOD比值平均值
Mean
CV
(%)
BnCesA1 11 543 12 623 12 963
18S rRNA 68 901 71 235 63 569
根 Root


IOD比值 0.167 0.178 0.203 0.183±0.0184 10.09

BnCesA1 61 990 72 130 60 512
18S rRNA 83 334 82 356 80 256
茎 Stem


IOD比值 0.743 0.876 0.754 0.791±0.0738 9.89

BnCesA1 29 807 24 563 25 136
18S rRNA 69 135 68 523 71 143
叶 Leaf


IOD比值 0.431 0.358 0.353 0.381±0.0437 11.48

BnCesA1 23 687 25 124 26 456
18S rRNA 78 576 77 569 79 652
芽 Bud


IOD比值 0.301 0.324 0.332 0.319±0.0161 5.05



图 7 苎麻不同组织 BnCesA1基因表达的相对含量
Fig. 7 Relative content of ramie BnCesA1 gene expression in
different tissues
3 讨论
自然界中除了植物外, 一些细菌、真菌和少量
的低等动物也可以合成纤维素, 但它们的基因间相
似性较低 , 纤维素合成酶基因首先是在细菌中克
隆得到的。1995年在比较细菌中纤维素合成酶与其
他糖苷转移酶的氨基酸序列时发现了β-糖苷转移酶
的一些保守序列, 比较典型的如DDDQxxRW(天冬
氨酸, 天冬氨酸, 天冬氨酸, 谷氨酰胺-x-x, 精氨酸-
色氨酸) 。通过对这些保守序列的同源性比较, 在
[21]
[22]
棉花中发现了第一个植物纤维素合成酶基因。1996
年对棉花纤维cDNA文库进行随机测序 , 结果观察
到该文库中 2 个cDNA包含细菌纤维素合成酶(Ces)
与其他糖苷转移酶的保守序列, 其编码的蛋白具有
DDDQxxRW等保守序列 , 并且在 N-末端与保守的
天冬氨酸残基之间具有额外特异性片段, 显示出独
特的序列特征。首先, 植物纤维素合成酶的N末端一
段氨基酸可形成一个特殊的结构域, 可折叠形成类
似于锌指状(zinc finger)或LIM转录因子构象 ,
此种结构域具有保守序列CxxC(半胱氨酸-xx-半胱

[23-25]
82 作 物 学 报 第 34卷

氨酸)。从N-端 10~40 个氨基酸起始, 序列特征为
Cx Cx FxCx Cx Ex Cx Cx C(x：任意氨基酸, C：半
胱氨酸、F：苯丙氨酸、A：丙氨酸、E：谷氨酸)。
目前这些结构域的功能还不清楚, 但推测与蛋白间
的相互作用有关 。其次, 植物纤维素合成酶包含 2
个高变区, 其中一个在N端, 约 150 个氨基酸残基,
富含酸性氨基酸, 其功能还不清楚。另一个在A区与
B区之间, 约 50个氨基酸。A区和B区是植物纤维素
合成酶基因所特有的保守区, A区含有几个保守的天
冬氨酸残基 , 排列特征为Dx…xDxD(D为天冬氨
酸)。B区除含有一个保守的天冬氨酸残基外, 还有
另一个序列QxxRW。推测A区可结合纤维素合成的
底物尿苷二磷酸葡萄糖 , 而B区则与纤维素合成
酶的催化活性有关。再次, 植物纤维素合成酶共有 8
个跨膜区, 其中有 2 个在N-末端, 另外 6 个在C-末
端。N端和C端跨膜结构域之间约有 550个氨基酸长
度的间隔, 具有典型的亲水性, 可形成环状 (loop)结
构延伸至细胞质, 称为胞内区。跨膜区是β-1,4-葡萄糖
苷链穿过质膜进入细胞壁的重要通道 。
2 12 2 2 5 3 2
[26]
[19]
[18]
CesA基因表达主要受转录水平的调控, 单子叶
和双子叶植物CesA基因转录水平的表达规律已有报
道, 从对拟南芥的研究中得到了很多植物CesA表达
的一般规律。首先, 不同的CesA基因成员在植物体
内的表达水平是不一样的, 比如：AtCesA1 (RSW1)
的表达量远远高于AtCesA9; 表达部位的多少也不
一样。AtCesA1 几乎在植物的各个部位都表达, 而
AtCesA仅在叶片和茎的连接处和胚的发育过程中表
达 ; 其次, 不同的CesA基因在植物不同部位的表
达模式也不一样, 如AtCesA7(Irx3)仅在木质部表达,
并且其表达量与 AtCesA1 的表达量相当 , 而
AtCesA7 在叶片上几乎不表达 。AtCesA1 在植物
的各个部位都表达
[27]
[28]
[29-30]。第三, 在同一个细胞中有
多个的CesA表达 , 如在根和其他伸长区的细胞中
AtCesA1、2、3、5、6同时表达 , 而AtCesA4、7、
8 表现相同的表达模式, 都仅在有木质部的细胞中
表达。根据以上结果推测AtCesA1、2、3、5、6 与
细胞初生壁的形成相关, 而AtCesA4、7、8 与细胞
次生壁的形成相关
[31]
[25-37]。第四, 不同CesA基因的表
达受不同的因子调控, 黑暗处理得到的黄化苗茎中
AtCesA2、3、5 的表达量远低于叶片中的表达量 ,
AtCesA4、6、7 在黄化苗茎中的表达量远高于叶片
中的表达量, 而AtCesA1 在二者中的表达量是一致
的。另外, AtCesA1、3、6在空间上的表达模式是一
样的, 但其时间上的表达水平却不一样。外界环境
变化对不同CesA表达的影响程度也不一样, 如在有
光的盐胁迫条件下AtCesA1、3、4、6中只有AtCesA1
的表达量减少了 1/3, 而其他 3 个基因的表达量不
变。在有光的条件下, 经乙烯处理的拟南芥中仅有
AtCesA1、3的表达量提高了 3倍, 而其他的基因表
达量不变。可见不同的CesA基因是由不同的调控因
子调控的 。[38]
本试验在苎麻根、茎、叶、芽 4 种组织中均检
测到了纤维素合成酶基因BnCesA1 的表达, 提示我
们BnCesA1 的表达不具有组织特异性, 其表达与拟
南芥的AtCesA1基因具有相似的表达规律, AtCesA1
几乎在拟南芥的各个部位都表达[24-25]。功能上, 通
过对BnCesA1 基因及编码蛋白的同源性分析发现 ,
BnCesA1 与主要在植物细胞初生壁形成过程中表达
的颤杨PtCesA4 及拟南芥AtCesA1 具有很高的同源
性, 因此可以推定BnCesA1 在苎麻细胞初生壁纤维
素合成过程中发挥作用, 本实验结果也证实了这一
点, 叶和芽组织细胞主要经历初生壁的生物合成过
程; 在试管苗及大田成熟苗的苎麻茎中均可检测到
BnCesA1 的表达, 即茎在经历初生生长到次生生长
的过程中BnCesA1 持续表达, 由此证明BnCesA1 在
苎麻组织细胞次生壁形成过程中也发挥了作用, 也
许具有双重功能。对BnCesA1 的表达规律及功能有
待进一步研究。
4 结论
首次成功克隆苎麻纤维素合成酶基因 BnCesA1
5′端 450 bp 序列以外的全部 cDNA 序列, 序列长
3 276 bp, 编码一段 938个氨基酸的蛋白质。其蛋白
质序列包含植物纤维素合成酶全部功能性基序
(motif)和保守结构域(缺少 N-端锌指结构域)。
BnCesA1 基因在苎麻根、茎、叶、芽 4 种组织
中均有表达, 茎中表达量最高。BnCesA1 基因的表
达模式与拟南芥 AtCesA1 相似, 功能上可能参与了
植物细胞初生和次生壁的形成。
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