XTH家族基因在植物生長發育及脅迫響應中的研究進展

關鍵詞：細胞壁修飾酶；木葡聚糖內轉糖基酶/水解酶（XTH）；生長發育；脅迫響應

植物細胞壁是植物細胞所特有的細胞結構，主要由纖維素、半纖維素、果膠等組成，通常還含有糖蛋白和木質素［1］。除禾本科外，木葡聚糖是構成植物細胞初生細胞壁的最主要的半纖維素［2］。經典的植物細胞壁結構模型表明，木葡聚糖鏈將纖維素微纖維拴在一起，果膠等充斥在纖維素-木葡聚糖網絡［3］。這種結構使得細胞壁具有一定的機械強度和動態延展性，既起到支撐和保護細胞的作用，又能滿足細胞的生長。

植物木葡聚糖內轉糖基酶/水解酶（XTH）具有催化斷裂和再連接木葡聚糖-纖維素交聯網絡的功能，被認為是控制細胞壁蠕變的間接松動劑，催化木葡聚糖的切割和重新連接從而完成細胞壁的動態重構，調控細胞壁的松弛與強化［4，5］。研究表明，XTHs參與細胞伸長、開花過程、果實成熟軟化及逆境脅迫等植物生長的許多方面，對植物的生長發育至關重要。本綜述主要討論了XTH家族基因在植物生長發育及其在脅迫響應中的作用。

1 XTH的特點與分類

植物細胞具有多種糖基水解酶（GH），在模式植物擬南芥中，依據CAZy命名法對糖基水解酶家族進行分類，共有29個糖基水解酶家族，其中包括GH16在內的13個糖基水解酶家族參與植物細胞壁的組裝［6］。GH16根據蛋白質結構域中的氨基酸序列相似性又分為23個亞家族，植物XTH是GH16的亞家族之一，即GH16_20［7］。XTH主要以木葡聚糖為底物，其轉糖基酶（XET）活性可以切割木葡聚糖并將新的還原端連接到另一個木葡聚糖的非還原端；此外，XTH還具有水解酶（XEH）活性，能水解木葡聚糖［8，9］，但XET被認為是XTH的主要活性［10］。研究表明，XTHs的保守的DEIDFEFLG結構域對其發揮催化功能是必須的，且其附近有N-連接的糖基化位點［11，12］。然而，在水稻中的部分XTHs沒有發現糖基化位點［13］。

至今為止，已經在許多不同的物種中鑒定出了XTH基因家族，不同物種所含有XTHs的數量不同。如在單子葉植物中，水稻（Oryzasativa）［13］、小麥（Triticumaestivum）［14］和鳳梨（Ananascomosus）［15］分別有29、71和24個XTHs基因；而在雙子葉植物中，如擬南芥（Arabidopsisthaliana）［16］、楊樹（Populuscathayana）［17］和番薯（Ipomoeabatatas（L.）Lam）［18］分別有33、38和36個XTHs基因。XTH基因家族根據序列的相似性分為3類，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類［19］。其中，第Ⅲ類又可細分為可以分為ⅢA類和ⅢB類［20］。然而，在某些物種如水稻中，Ⅰ類和Ⅱ類的差異并不明顯，但Ⅲ類與Ⅰ類和Ⅱ類之間存在較大差異，因此劃分為Ⅰ/Ⅱ類和Ⅲ類［13］。同樣，在番薯中Ⅰ和Ⅱ類差別不明顯，在系統發育分析中聚類成一個Ⅰ/Ⅱ亞家族［18］。此外，不同的亞家族成員具有不同的酶活性，Ⅰ、Ⅱ和ⅢB類有內轉糖基酶活性，而ⅢA類有水解酶活性［11，19，20］。在模式植物擬南芥中，除少數成員外，Ⅰ類和Ⅲ類大多數成員有4個外顯子，Ⅱ類大多數成員有3個外顯子［19］。在其他多數物種的多數基因中含有3-4個外顯子，如水稻、小麥、苧麻和甘薯等［13，14，18，21］。

2 XTHs參與植物的生長發育

2.1 XTHs促進植物的生長

許多研究表明XTHs參與調控根、莖和葉的生長發育。其中，對根系生長的調控作用包括主根、側根、不定根等。擬南芥xth22突變體表現出生長遲緩的表型，相較于野生型其主根長變短，側根數目明顯減少，然而將甜菜（BetavulgarisL.）BvXTH17轉入擬南芥xth22突變體，增加了其主根長、側根數等，減輕了xth22突變體的生長抑制［22］。此外，過表達BvXTH8的轉基因擬南芥表現出更高的XTH活性，其主根長及鮮重高于野生型［23］。Xu等人觀察到擬南芥xth19xth23雙突變體也表現出了主根長減小和側根數減少的表型，但過表達XTH19和過表達XTH23的轉基因擬南芥植株表現出正常的表型，說明XTH19和XTH23在擬南芥根系的生長過程中起著重要作用［24］。在萬壽菊（TageteserectaL‘.Marvel’）中，2，4-表油菜素內酯處理能夠提高XTH的活性，且促進了不定根的發生［25］。

植物通過避蔭反應來適應紅光/遠紅光比值的降低，XTHs參與其中，其相關表現主要有莖和葉柄的伸長等。如在擬南芥中，XTH15和XTH17基因敲除突變體在綠蔭和低紅光/遠紅光下的葉柄伸長速率與野生型相比降低［26］。此外，皮質微管的動力學變化可以通過控制生長素的重新分布來促進XTH17和XTH19的表達，進而促進遮蔭下擬南芥葉柄的伸長［27］。Sharma進一步發現XTH17也參與到莖的伸長過程中，其表達能被轉錄因子HY5和HYH抑制進而抑制莖的伸長［28］。近幾年的研究表明XTHs對下胚軸的伸長也起著重要作用。如轉錄因子SHR、WOX2和WOX4都能夠調控擬南芥相關XTHs的表達進而參與下胚軸的伸長［29，30］。

2.2 XTHs參與調控植物開花與花瓣脫落

目前，XTHs調控植物開花與脫落的研究主要集中在觀賞植物上，從花蕾生長到花瓣開放與閉合再到花瓣脫落均受到XTHs的調控且受到多種因素的影響。在百合（Lilium‘Sorbonne’）中，LhXTH1轉錄水平在花蕾的生長過程中呈上升趨勢，至花朵開放相對表達量達到最高，而后在花瓣完全開放時相對表達量又下降，說明LhXTH1在百合花蕾的生長伸長過程中起著重要的作用［31］。在牽牛花（Pharbifisnil）花瓣中，InXTH2、InXTH3和InXTH4的相對轉錄本豐度在4h黑暗處理后保持在較低水平，在8h黑暗處理后顯著上調，但在持續的光照條件下始終保持在較低水平，這表明暗期長短通過影響XTHs的轉錄水平調控花瓣的閉合和開放的轉化［32］。此外，丹桂（Osmanthusfragrans）的開放主要受環境溫度的影響，19℃會促進其開花而23℃會抑制其開花，作者發現包括OfXTH24在內的5個XTHs被低溫（19℃）誘導，表達量顯著提高，促進了花的開放［33］。除參與花器官的生長與開放外，XTHs也參與花瓣的脫落過程。如高劑量乙烯處理使RbXTH1和RbXTH2在玫瑰（Rosabourboniana）花瓣中表達水平顯著提高，加速了花瓣的脫落［34］。

2.3 XTHs調控果實的成熟軟化

在許多植物中發現XTHs參與果實成熟軟化過程的調控。多數研究表明，XTHs能夠降低果實的硬度，加快果實的成熟和軟化。如在甜櫻桃（PrunusaviumL.）果實中瞬時表達PavXTH14、PavXTH15和在蘋果（Maluspumila）中瞬時過表達MdXTHB都顯著降低了果實的硬度，加快了果實的成熟軟化［35，36］。此外，基因敲除試驗也能夠充分證明XTHs在促進果實成熟軟化中的作用。在番茄（Solanumlycopersicum）中，SlXTH5敲除突變體中，果實硬度略大于野生型，且果皮顏色指數顯著下降［37］。然而，有研究表明XTH也具有延緩果實的成熟的作用。如DkXTH1轉基因番茄果實采收后的顏色由綠變黃再變紅的過程相較野生型出現延遲，且轉基因番茄的硬度下降比野生型慢，說明DkXTH1能夠延緩果實的成熟［38］。

在XTHs參與調控果實成熟軟化的過程中，植物激素和轉錄因子也參與其中。如乙烯能促進海巴戟果實的成熟，其成熟過程中McXTH的表達量與乙烯釋放量呈正相關，均呈上升趨勢［39］。除乙烯外，一定濃度的脫落酸和茉莉酸甲酯的處理使得PavXTH15表達上調，進而促進了甜櫻桃果實的成熟與軟化［35］。此外，轉錄因子也能調控XTHs的表達進而調控果實的成熟和軟化。如轉錄因子AcNAC1和AcNAC2能夠激活AcXTH1和AcXTH2的表達進而參與獼猴桃（Actinidiachinensis）的成熟和軟化［40］。

3 XTHs參與植物脅迫響應

已鑒定到不同的XTHs基因參與植物水分脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、溫度脅迫等逆境脅迫響應，通過調整細胞壁的結構以適應不同的外界環境［41］。

3.1 XTHs參與水分脅迫

水分脅迫主要分為干旱和水淹兩種，植物可以通過調節XTHs的表達參與緩解這兩種水分脅迫。研究表明，干旱脅迫下，耐旱水稻和旱敏感水稻品種中OsXTH5和OsXTH19表達上調，但耐旱水稻的基因表達水平更高。在復水后，OsXTH19表達量減少，而OsXTH5表達量增加，表明它們參與緩解干旱脅迫［42］。此外，小麥TaXTH12.5a轉基因擬南芥在干旱脅迫下的根與下胚軸更長且表現出更高的萌發率，同樣，TaXTH-7A轉基因擬南芥在干旱脅迫下也表現出更高的存活率，表明部分的小麥XTH基因在能夠增強擬南芥的抗旱性［14，43］。除干旱外，在水淹處理下，大豆（Liriodendronchinense）的AtXTH31異源表達植株相較于野生型植株表現出更長的根下胚軸，對水淹脅迫的耐受性提高［44］。

3.2 XTHs參與鹽脅迫

XTHs能夠參與鹽脅迫，且其在耐鹽植物的耐鹽性中發揮重要作用。在鹽脅迫下，葡萄（VitisviniferaL.）根中11個VvXTHs基因表達上調［45］，鹽角草（SalicorniaeuropaeaL.）根和莖中的多個SeXTHs基因也呈正表達［46］。然而，在黑果枸杞（Lyciumruthenicum）的根部組織中，除LrXTH3、LrXTH9、LrXTH18和LrXTH19在鹽脅迫下上調外；LrXTH5和LrXTH8有較明顯的下降趨勢，表明多個XTHs基因參與到了鹽脅迫響應的過程中并起著不同的作用［47］。此外，Xu等人發現油菜素甾醇能夠通過轉錄因子BES1調控AtXTH23和AtXTH19的表達從而保證鹽脅迫下的擬南芥側根的發生進而緩解鹽脅迫［24］。

3.3 XTHs參與金屬離子的脅迫

有關XTHs參與金屬離子脅迫的研究主要集中在鋁和鎘上。擬南芥xth31突變體的根系相較野生型更短，突變體中XTH31積累較少，使得木葡聚糖含量較低，因而形成較少的鋁-木聚糖復合物，減少了鋁在根部和細胞壁中的積累，緩解了鋁脅迫［48］。xth17突變體與xth31突變體表型相似，半纖維素含量較低，細胞壁中積累的鋁也較少，且XTH17和XTH31可以在體內與體外結合，說明XTH17與XTH31可能以二聚體形式存在，通過調節半纖維素含量和鋁的結合能力來影響擬南芥對鋁的敏感性［49］。此外，Tao等人發現，轉錄因子ANAC017能夠激活AtXTH31的表達，而ANAC017功能缺失會增強對鋁的耐受性，同時根和根細胞壁中鋁的積累也會減少，進一步印證了XTH31能夠影響擬南芥對鋁的敏感性［50］。然而，鋁脅迫下，過表達玉米ZmXTH的擬南芥轉基因植株的根更長，根部和細胞壁中鋁的積累更少，說明了XTH在緩解鋁脅迫上也起著一定作用，但可能與上述擬南芥突變體應對鋁脅迫的機制不同［51］。此外，褪黑素處理能部分恢復鋁脅迫引起的細胞增大和不規則形狀，使苜蓿根細胞排列相對緊湊，在基因水平上，褪黑素處理上調了XTH基因的表達，這表明褪黑激素有可能通過增強鋁與細胞壁的結合等機制減輕鋁的毒性［52］。

在苧麻（Boehmerianivea）中，大多數BnXTHs基因響應鎘脅迫，其中BnXTH1、BnXTH3、BnXTH6和BnXTH15表達量顯著增加，且BnXTH1、BnXTH6和BnXTH15的轉基因酵母細胞提高了對鎘脅迫的耐受性［21］。Ma等人進一步發現，鎘會誘導茉莉酸甲酯的積累從而激活BnXTH1的表達，而在苧麻中過表達BnXTH1顯著增高了半纖維素的含量，促進了鎘與半纖維素的結合，減少了鎘在細胞內的積累，緩解了鎘的脅迫［53］。而過表達楊樹PeXTH的煙草雖然也提高了對鎘的耐受性，但提高了木葡聚糖降解活性，根細胞的細胞壁中木葡聚糖含量降低，鎘離子的結合位點減少從而減少了鎘的攝入和積累，緩解了鎘對轉基因煙草的毒害作用［54］。此外，還有研究發現鎘處理下耐鎘的擬南芥生態型與對鎘敏感的擬南芥生態型相比，其XTH表達水平低，但半纖維素含量高，其可能與鎘結合從而減少了鎘的流入和積累［55］。由此可見，雖然XTHs參與到植物緩解鎘脅迫的過程中，但是其具體的調控方式并不相同。

3.4 XTHs參與生物脅迫

研究表明，不同植物的某些病害的病害程度與XTH表達水平有關。如過表達CsXTH04使柑橘（Citrussinensis）更容易感染柑橘細菌潰瘍病，而沉默CsXTH04使柑橘的抗細菌潰瘍病的能力增強［56］。此外，在大豆中GmXTH43能夠抑制大豆包囊線蟲的寄生，且其表達水平受到GmCCA1-1表達水平的影響，呈正相關關系［58］。Niraula進一步研究發現，GmXTH43轉基因陸地棉（Gossypiumhirsutum）增強了對南方根結線蟲（Meloidogyneincognita）的抵抗性［57］，由此表明GmXTH43在植物抵御線蟲寄生過程中起著重要作用。

4 總結與展望

植物細胞的生長離不開細胞壁的擴大，木葡聚糖作為構成植物細胞壁的最主要的半纖維素一直受到廣泛的關注。近年來，有關XTH基因家族的研究已經取得了很大的進展，已經在許多物種中鑒定出了XTH基因家族成員并且對其中一些家族成員進行了生物信息學與功能分析，發現其廣泛參與根、莖和葉等生長和開花以及果實的成熟等植物的生長發育和逆境脅迫等諸多生命活動。這些研究讓人們對XTH對植物生長發育和適應逆境脅迫的作用有了更深的認識和理解。然而，仍有許多問題有待探索：1）目前有關于XTHs的研究還集中在個別基因家族成員的功能研究，而對其上游調節因子以及下游靶基因的研究較少，還有待深入研究。2）盡管有關研究已表明XTHs參與植物多種生命活動的調節，能夠響應多種植物激素的處理，且也與相關轉錄因子相互作用進而調節植物生命活動，但是其具體的作用的分子機制及調控網絡還并不清楚。3）研究表明，XTHs參與植物開花過程的調控、果實的成熟軟化，還具有提高嫁接成活率的作用等［17］。因此，深入研究XTH基因家族的生理功能與調控機制有助于對作物進行性狀改良，培育優新品種。