NST轉(zhuǎn)錄因子對木質(zhì)素生物合成調(diào)控的研究進展

摘 要 木質(zhì)素是高等陸生植物細胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，除了加強細胞壁，還對植物直立生長、水分運輸十分重要，并起著天然物理屏障作用，可以抵御生物和非生物脅迫。植物木質(zhì)素的合成是一個復雜的生化過程。主要介紹了木質(zhì)素生物合成途徑中轉(zhuǎn)錄因子NST對木質(zhì)素生物合成的功能及研究進展。通過對NST轉(zhuǎn)錄因子進行梳理，以期能更好地理解NST轉(zhuǎn)錄因子在植物木質(zhì)素生物合成過程中的作用，為今后木質(zhì)素的研究及應用奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 木質(zhì)素；生物合成；NST轉(zhuǎn)錄因子

中圖分類號：Q943.2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.03.018

木質(zhì)素最初出現(xiàn)在維管植物中，并認為在植物陸地化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。木質(zhì)素在植物生長發(fā)育和逆境響應中發(fā)揮著重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素不僅可以為植物提供機械支持，促進水和溶質(zhì)在維管系統(tǒng)中的運輸，還在植物的被動和主動防御中發(fā)揮重要作用[1]，可以作為一種物理屏障，防止病原體入侵和生物寄生[2]。在植物木質(zhì)素生物合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，NAC、MYB、WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族是被研究最多的家族。木質(zhì)素合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的上游主要為NAC家族的VND亞族和NST亞族，有研究表明，NST亞族的NST1、NST2、NST3這3個轉(zhuǎn)錄因子是激活次生細胞壁生物合成的轉(zhuǎn)錄開關(guān)[3]。

1" 木質(zhì)素合成途徑

木質(zhì)素通常由對羥基苯基（H）、愈創(chuàng)木酰基（G）和丁香酰基（S）單元聚合組成，分別衍生自3種主要的羥基肉桂醇：對香豆醇、松柏醇和芥子醇；此外，還有2種非典型的木質(zhì)素單體，咖啡醇和5-羥基松柏醇在某些物種中被發(fā)現(xiàn)[4]。木質(zhì)素含量和組成在不同的植物種類、組織、細胞類型和細胞壁層之間差異很大，并受生長發(fā)育和環(huán)境因素的影響。在裸子植物中，H、G木質(zhì)素是主要的木質(zhì)素成分，單子葉植物則含有3種木質(zhì)素，而雙子葉植物則以G、S木質(zhì)素為主。其中，苯丙烷代謝途徑是木質(zhì)素合成的重要途徑，也是其代謝產(chǎn)物的重要來源，為木質(zhì)素的生物合成提供了前體[5]。木質(zhì)素生物合成過程中涉及多個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因和轉(zhuǎn)錄因子，基于最近對模式植物的研究，已經(jīng)確定了11種木質(zhì)素生物合成途徑的基因[6]：L-苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4-羥化酶（C4H）和4-羥基肉桂酸輔酶A連接酶（4CL）是木質(zhì)素和黃酮類化合物生物合成所共有的一般苯丙烷類途徑的3個基因；其他8個基因?qū)儆谀举|(zhì)素特異性途徑，包括肉桂酰輔酶A還原酶（CCR）、肉桂醇脫氫酶（CAD）、香豆酰莽草酸3'-羥化酶（C3'H）、阿魏酸/松柏醛5-羥化酶（F5H）、咖啡酸/5-羥基松柏醛3/5-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（COMT）、咖啡酰輔酶A3-O甲基轉(zhuǎn)移酶（CCoAOMT）和羥基肉桂酰輔酶A：莽草酸羥基肉桂酰轉(zhuǎn)移酶（HCT）和咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）。

2" 木質(zhì)素生物合成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

木質(zhì)素生物合成途徑除了結(jié)構(gòu)基因還包括轉(zhuǎn)錄因子，轉(zhuǎn)錄調(diào)控著結(jié)構(gòu)基因的表達，在木質(zhì)素的生物合成中起著重要作用。MYBs和NACs是參與木質(zhì)素生物合成的2個主要的轉(zhuǎn)錄因子家族，包括3個層次的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。

第一層主開關(guān)轉(zhuǎn)錄因子是NAC家族的VNS（即VND和NST/SND）亞家族，包括VND1～7和NST1～3。VND單獨顯示特定的表達模式和功能。例如，VND1～5在莖的導管中表達，但在束間纖維中不表達。最近，Lin等人發(fā)現(xiàn)，在木材形成過程中VND6經(jīng)歷了選擇性剪接，PtrVND6-C1也可被PtrSND1-A2IR抑制，兩者共同作用，相互交叉調(diào)節(jié)VND和SND成員，以維持木質(zhì)部分化和植物發(fā)育的穩(wěn)態(tài)[7]。在擬南芥nst1-1nst3-1雙突變體中，次生木質(zhì)部和束間纖維中SCW（Secondary Cell Wall，SCW）增厚完全被抑制，卻不影響導管細胞[8]。類似于莖中NST1和NST3的功能冗余，NST1和NST2在花藥SCW形成中冗余地起作用[9]。Lee等人通過研究纖維突變體lbd29-1的功能，發(fā)現(xiàn)缺失突變體lbd29-1顯示束間纖維區(qū)域的細胞壁發(fā)育增強，表明LBD29基因在纖維中具有特異性功能；并且發(fā)現(xiàn)LBD29負調(diào)控纖維細胞中NST1、NST2和NST3的表達，從而抑制細胞壁生物合成基因的表達[10]。

木質(zhì)素生物合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的第二層開關(guān)是MYB家族的MYB46和MYB83，其在SCW增厚的纖維和導管中特異性表達，主要調(diào)控其他參與木質(zhì)素生物合成的MYB基因及木質(zhì)素合成相關(guān)結(jié)構(gòu)基因的表達[11]。MYB46和MYB83直接受SND1及其近同源物（NST1、NST2、VND6和VND7）的調(diào)節(jié)[12]。木質(zhì)素生物合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)第三層的轉(zhuǎn)錄因子受到MYB46/83的調(diào)控，這些TFs大多屬于MYB家族。MYB家族的一些成員在木質(zhì)素的生物合成中發(fā)揮負調(diào)控作用，如MYB4、MYB7和MYB32等[13-14]。

3" NST轉(zhuǎn)錄因子對木質(zhì)素生物合成的調(diào)控

NST轉(zhuǎn)錄因子隸屬于NAC家族，是最早被鑒定的參與植物次生細胞壁合成的NAC家族轉(zhuǎn)錄因子。2005年Mitsuda等人在對擬南芥NAC轉(zhuǎn)錄因子進行研究時發(fā)現(xiàn)，當利用嵌合抑制因子沉默技術(shù)將其中一個NAC轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性抑制因子并在擬南芥中進行過表達時，會導致擬南芥花藥不能正常開裂；進一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株花藥不能正常開裂是由于藥室內(nèi)壁SCW缺失造成的，說明該基因可以調(diào)控藥室內(nèi)壁SCW的生物合成，因此將該基因命名為NST1（NAC secondary wall thickening promoting factor 1） [9]。NST2是NST1的同源基因，過表達NST2的顯性抑制形式同樣會導致轉(zhuǎn)基因擬南芥花藥不能正常開裂，表明NST2也參與調(diào)控藥室內(nèi)壁SCW的生物合成[9]。在NAC家族中，NST1（ANAC043）、NST2（ANAC066）和NST3/SND1（ANAC012）在植物SCW生物合成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起開關(guān)作用[9]。

3.1" NST1和NST2轉(zhuǎn)錄因子對木質(zhì)素生物合成的調(diào)控

在擬南芥中NST1和NST2促進花粉囊內(nèi)層細胞SCW的合成，nst1nst2雙T-DNA標記的品系花藥內(nèi)皮層缺乏SCW且花藥不正常開裂[9]。在其他植物中也驗證了NST1和NST2的功能跟花藥及SCW相關(guān)。例如在蒺藜苜蓿中，MtNST1編碼AtNST1/2/3的同源物，且是花粉囊開裂所需的[15]。在野生大豆中，GsNST1A/B是AtNST1/2的同源物，并作為SCW生物合成的激活劑發(fā)揮作用。GsNST1A/B的過表達通過誘導擬南芥正常薄壁細胞中大量SCW的異位沉積而破壞整個植物發(fā)育[16]。在野草莓中，F(xiàn)vNST1b與AtNST1同源，野生型擬南芥中FvNST1b的過表達誘導各種組織中SCW的異位增厚，并上調(diào)與SCW合成相關(guān)基因的表達[17]。蠟菊中的HbNST1、HbNST1A與AtNST1、AtNST3（SND1）同源，HbNST1過表達促進SCW中木質(zhì)素的積累，表明HbNST1與SCW生物合成和木質(zhì)化有關(guān)[18]。Lyu等人對裸籽南瓜進行研究時發(fā)現(xiàn)，在CpNST1基因中插入14 bp序列會導致CpNST1翻譯提前終止，導致無殼種皮中SCW生物合成的缺乏[19]。南瓜轉(zhuǎn)錄組測序分析表明，CmNST1是種皮發(fā)育過程中木質(zhì)素生物合成途徑的主要調(diào)節(jié)因子[20]。在浙江紅山茶中，CcNST1在木質(zhì)化的種皮和內(nèi)果皮組織中高表達，對轉(zhuǎn)基因表達品系進行分析發(fā)現(xiàn)，CcNST1在調(diào)節(jié)果實木質(zhì)化的木質(zhì)素生物合成中起著關(guān)鍵作用[21]。在水稻中報道了ONAC066（NST2）在干旱和氧化脅迫下的功能，過表達ONAC066基因可提高轉(zhuǎn)基因水稻對干旱和氧化脅迫的耐受性，增強ABA的敏感性，上調(diào)干旱脅迫下相關(guān)基因的表達。相比之下，RNAi抑制ONAC066基因表達后，干旱脅迫下相關(guān)基因表達下調(diào)，干旱和氧化脅迫耐性減弱，ABA敏感性降低[22]。NST1基因和NST2基因與植物SCW的增厚相關(guān)，在植物抗逆中起重要作用。

Zhang等發(fā)現(xiàn)，NST1的活性由NAC結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子XND1來調(diào)節(jié)，在擬南芥中NST1調(diào)控SCW形成的活性受到XND1的調(diào)節(jié)[23]。在花藥發(fā)育過程中，MYB26在決定細胞發(fā)育或SCW加厚能力中起調(diào)節(jié)作用，并且可能通過NST1和NST2在木質(zhì)素生物合成途徑的上游起作用[6]。WRKY12作為負調(diào)節(jié)因子，可以直接結(jié)合NST2啟動子以抑制其表達，從而抑制髓細胞中的SCW增厚[24]。

3.2" NST3轉(zhuǎn)錄因子對木質(zhì)素生物合成的調(diào)控

NST3/SND1最早在擬南芥中被鑒定為SCW相關(guān)合成基因，功能與NST1冗余，在纖維細胞中特異表達[25]。在擬南芥nst1nst3雙突變體中，植株束間纖維細胞SCW缺失，不能直立生長；突變體中纖維素和木質(zhì)素含量顯著下降[26]。在蒺藜苜蓿中，NST3功能的缺失會使F5H及木質(zhì)素合成相關(guān)基因的表達量減少，導致S型木質(zhì)素大量減少，從而使維管束間的纖維無法木質(zhì)化，導致花藥開裂失敗[15]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥NST3可以與蒺藜狀苜蓿的F5H基因的啟動子區(qū)結(jié)合，并激活其表達[15]。水稻次生壁NAC結(jié)構(gòu)域蛋白1（OsSWN1），是擬南芥NST3/SND1的直系同源物，調(diào)節(jié)水稻中的SCW形成[27]。在擬南芥中，OsSWN1過表達能誘導SND1調(diào)節(jié)的下游轉(zhuǎn)錄因子和SCW生物合成基因的表達，并伴隨著SCW的異位沉積[27]。當OsSWN1在nstlnst3雙突變體中異源表達時，可恢復莖表型和花序纖維細胞的SCW形成，表明OsSWN1在功能上等同于擬南芥NST3/SND1[27]。山楂中的SND1與AtSND1同源，過表達該基因會導致植株生長受阻、葉片向上卷曲、萼片發(fā)育異常及不育等表型，并顯著上調(diào)其下游MYB基因及木質(zhì)素、纖維素和木聚糖合成相關(guān)基因的表達[28]。冉書瑤等對甘藍型油菜中的BnaA9.NST3進行研究，發(fā)現(xiàn)其調(diào)控木質(zhì)部發(fā)育和開花時間。過表達BnaA9.NST3使油菜木質(zhì)部發(fā)育增厚，同時伴隨早花現(xiàn)象[29]。Jeong等人研究發(fā)現(xiàn)，SND1在擬南芥中具有雙重作用，即SND1能激活MYB46途徑，促進木質(zhì)素生物合成，同時SND1能維持低ABA濃度抑制植株生長，SND1的雙重功能有效調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育[30]。

木質(zhì)素與植物的適應性、抗病性、抗倒伏等能力有關(guān)。廖芳等人對甘藍型油菜中NST3基因進行基因編輯及超表達載體構(gòu)建得到抗倒伏能力強，且高抗菌核病的甘藍型油菜[31]。BpNAC012（NST3）轉(zhuǎn)基因白樺的鹽和滲透脅迫耐受性增強，并且鹽和滲透脅迫能引起木質(zhì)素生物合成基因的表達水平更高及BpNAC012過表達株系中木質(zhì)素積累更多[32]。蘋果中確定了MdSND1與擬南芥AtSND1具有功能相似性，均能促進次生細胞壁的形成，促進SCW中木質(zhì)素的積累，并且過表達MdSND1可以提高蘋果對滲透脅迫和鹽脅迫的耐受性[33]。

4" 展望

NST是一類在植物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控植物的生長發(fā)育和次生壁的生物合成等過程。目前，NST轉(zhuǎn)錄因子對木質(zhì)素生物合成的調(diào)控機制研究仍存在一些問題亟需解決。1）盡管有關(guān)NST轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)與功能研究已有一些進展，但主要以模式植物為對象，如擬南芥、苜蓿、水稻及楊樹等，其在不同植物中的功能有所差異，目前NST轉(zhuǎn)錄因子在其他物種的功能尚不清楚，需要進一步研究。2）NST轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不明晰，其上游調(diào)控因子及下游靶標基因有待驗證。3）植物激素及受體激酶等多重因素影響著NST轉(zhuǎn)錄因子對木質(zhì)素生物合成的調(diào)控，并且是否存在其他信號影響其調(diào)控，具體的作用機制需要未來進行深入探討。4）NST轉(zhuǎn)錄因子與植物抗性息息相關(guān)，之后的研究可以聚焦在NST在植物抗性中的具體調(diào)控機制，不僅可以為植物應對環(huán)境脅迫提供分子層面的見解，還有利于人們理解植物對環(huán)境的適應性。

研究NST轉(zhuǎn)錄因子的功能，可以明確其對植物生長發(fā)育的影響，揭示其對木質(zhì)素代謝的調(diào)控機制，為培育新品種提供理論依據(jù)。以NST轉(zhuǎn)錄因子為靶點，利用基因工程和遺傳改良等技術(shù)提高植物抗性，將其應用于作物及易倒型作物，進而使植物適應氣候變化引起的干旱、高溫等脅迫。因此，對NST轉(zhuǎn)錄因子的深入研究具有重要的理論與實踐價值。

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（責任編輯：敬廷桃）

作者簡介：楊夢情（2000—），在讀碩士，研究方向為植物資源與應用，主要從事木質(zhì)素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子研究。E-mail：yangmq@swfu.edu.cn。