王大鵬，呂鑫億，閆金國，黃 姍

（濰坊護理職業(yè)學(xué)院醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)部，山東 青州 262500）

木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶（xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase，XTH）是一種細(xì)胞壁松弛酶，是植物細(xì)胞壁重構(gòu)過程中的關(guān)鍵酶，高等植物中保留了大量XTH 基因家族（由20～60 個基因組成），其成員以組織、時間及刺激依賴的方式活躍表達(dá)，最近研究發(fā)現(xiàn)木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶通過響應(yīng)多種植物激素以及其他環(huán)境信號，調(diào)控植物生長發(fā)育，并在植株形態(tài)建成中發(fā)揮重要作用。

1 XTH 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

XTHs 屬于糖苷水解酶家族GH16。在模式植物擬南芥中已克隆出33 個編碼XTH 蛋白家族基因的ORF。XTH 家族的蛋白結(jié)構(gòu)中共同具有一個DEIDFEFLG 的特征結(jié)構(gòu)域，其中包含的氨基酸殘基是實現(xiàn)酶促反應(yīng)的關(guān)鍵。對擬南芥AtXTH22 基因蛋白DEIDFEFLG 基序中的首個谷氨酰胺殘基進行定點突變，發(fā)現(xiàn)其在AtXTH22 蛋白酶觸反應(yīng)中必不可少。同時發(fā)現(xiàn)，催化位點附近的蘇氨酸或絲氨酸殘基上的N-聚糖對維持酶結(jié)構(gòu)和活性具有重要性，通過定向誘變或酶解的方法去除這段N-聚糖，則大大減少了許多XETs 固有的折疊數(shù)量及穩(wěn)定性。

2 XTH 酶活性

木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶/水解酶（XTH）基因編碼的蛋白質(zhì)具有潛在的兩種不同的催化活性，對木葡聚糖具有完全不同的效應(yīng)，同時具有木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶活性和木葡聚糖內(nèi)糖基水解酶活性，可導(dǎo)致鏈的不可逆性縮短。VaXTH1 酶活性受pH 調(diào)節(jié)，在pH 為5.8 時具有最大的轉(zhuǎn)移酶活性。同樣，研究發(fā)現(xiàn)pH在6 以上時，重組楊樹XTH 蛋白及旱金蓮胚軸XTH 蛋白活性急劇下降。上述研究提示XTH 酶活性可能響應(yīng)質(zhì)外體pH 的變化，調(diào)控植物生長發(fā)育。

3 XTH 作用機制

植物細(xì)胞的伸長和擴張是一個高度協(xié)調(diào)的復(fù)雜過程。在細(xì)胞伸長和擴張過程中，細(xì)胞形態(tài)由細(xì)胞壁控制，細(xì)胞壁生化特性改變中的膨壓驅(qū)動細(xì)胞擴張。植物細(xì)胞壁由纖維素結(jié)晶、纖維素微纖絲和半纖維素等多聚物組成，XTH 發(fā)揮作用需要以β-1，4 糖苷鍵等基本的葡聚糖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)木葡聚糖的剪切和連接在細(xì)胞壁的伸長和擴張過程中起到關(guān)鍵作用，木葡聚糖是構(gòu)成細(xì)胞壁多聚物的重要成員，如木葡聚糖與纖維素微纖絲表面結(jié)合，介導(dǎo)形成纖維素微纖絲-木葡聚糖交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前，XTH 被認(rèn)為在植物細(xì)胞壁松弛過程中發(fā)揮重要作用，其促使植物細(xì)胞壁伸長和細(xì)胞體積膨大主要依賴XTH 蛋白介導(dǎo)的兩個催化過程：①內(nèi)切木葡聚糖鏈；②將新生成的木葡聚糖分子轉(zhuǎn)移到同類分子的非還原端。

細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)改變的四種方式中XTH 發(fā)揮重要作用。XG 為細(xì)胞壁中的木葡聚糖分子，CM 代表細(xì)胞壁中的纖維素微纖絲。A和B 所示為細(xì)胞壁擴張過程：A 過程中單純的木葡聚糖內(nèi)糖基水解酶發(fā)揮作用，承重木葡聚糖交聯(lián)被水解，B 過程中木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶發(fā)揮作用，介導(dǎo)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)間交聯(lián)。C 和D 所示為細(xì)胞壁沉積過程：C 過程由單純的木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶催化，木葡聚糖在原始的和新生成的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)間交聯(lián)使細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)增加，但并未實現(xiàn)細(xì)胞壁擴張，D 過程由木葡聚糖內(nèi)糖基轉(zhuǎn)移酶催化，已有的細(xì)胞壁成分與新生成的細(xì)胞壁物質(zhì)交聯(lián)并引起細(xì)胞壁擴張。

4 XTH 在植物生長發(fā)育中的作用

4.1 根、莖、葉形態(tài)建成

近期研究發(fā)現(xiàn)XTH 家族基因在植物根、莖、葉的形態(tài)建成特別是伸長生長方面有重要作用。對白樺苗木根、莖和葉中XET 基因表達(dá)量進行sqRT-PCR 分析，發(fā)現(xiàn)生長中的莖比葉片組織表達(dá)水平高，說明XET 基因在白樺根、莖和葉3 種組織的細(xì)胞壁形態(tài)建成過程中發(fā)揮重要作用[1]。Chen，JR 等進行蒺藜苜蓿XET基因的RNAi 實驗表明，干擾該基因后影響根系的正常生長，根系明顯縮短，甚至不再生長。對擬南芥和煙草根中XET 活性研究發(fā)現(xiàn)，伸長區(qū)細(xì)胞XET 活性比非伸長區(qū)細(xì)胞XET 活性更高。在XET 活性與大麥葉伸長關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，用GA3 處理過的葉子的某些部位其XET 的mRNA 水平升高，生長速率明顯加快，說明GA3 通過提高XET 基因的轉(zhuǎn)錄水平促進葉部形態(tài)建成。Uozu 等在水稻中分離出四種與XET 有關(guān)的基因，發(fā)現(xiàn)OsXTRI 和OsXTR3 兩個基因能夠促進水稻節(jié)間伸長。上述研究提示XTH 活性與根、莖、葉的形態(tài)建成特別是伸長發(fā)育具有相關(guān)性，但也存在例外，可能XTH 不同成員之間存在功能上的歧化，對于各成員與根、莖、葉形態(tài)建成關(guān)系的詳細(xì)闡述需要進一步探究。

4.2 木質(zhì)部形成

XTH 活性與植物木質(zhì)部生長關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥木質(zhì)部的XET 表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于韌皮部，能夠促使木質(zhì)部細(xì)胞膨脹。對GA 的過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株檢測分析表明，XET 蛋白是提升木材形成速率的關(guān)鍵酶之一。在松樹的木質(zhì)部和初生組織中同樣發(fā)現(xiàn)了XET 的表達(dá)。上述研究提示XTH 蛋白可能參與了木質(zhì)部組織中木葡聚糖鏈的組裝，促進木質(zhì)部細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的形成。

4.3 果實發(fā)育

XTH 的活性還與一些果實生長發(fā)育、成熟、軟化有關(guān)。叢郁等[2]從成熟的砂梨果實中克隆獲得PpXTH 基因，其所表達(dá)的蛋白與獼猴桃AdXTH5、蘋果MdXTH11 等在果實成熟中表達(dá)的蛋白具有高度同源性，在果實軟化過程中表達(dá)量急劇增加。MAXET1 在香蕉果肉軟化過程中同樣起到重要作用，并且與果皮的硬度關(guān)系密切。上述發(fā)現(xiàn)提示XTH 在維持果實發(fā)育中細(xì)胞壁的完整性發(fā)揮重要作用，可能是XTH 不同成員間協(xié)同作用的結(jié)果。

4.4 植物抗逆性

近些年，XTH 活性與植物抗逆性的研究受到重視，主要集中在其耐鹽、耐旱性的研究。對用NaCl 處理后的群眾楊和胡楊XET 基因表達(dá)量進行microarray 分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)XET 基因在耐鹽的胡楊中表達(dá)量增加，而在不耐鹽的群眾楊中表達(dá)量下降，并通過RealtimePCR 進一步驗證了這個結(jié)果，胡楊peXET 基因轉(zhuǎn)入煙草，煙草植株耐鹽性明顯增強。SeokKeunCho 等研究發(fā)現(xiàn)辣椒XTH 同源基因pCaXTHI，PCaXTHZ 和PCaXTH3 響應(yīng)干旱、低溫和高鹽等多種非生物脅迫，對擬南芥CaXTH3 基因過表達(dá)植株耐鹽性分析發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)植株耐鹽性顯著增強，并在一定程度上增強了對水分缺失耐受性，同時伴有葉形的變化和葉肉細(xì)胞數(shù)目增多。厭氧條件下XET 基因在小麥根和芝麻中表達(dá)量也出現(xiàn)上調(diào)現(xiàn)象，并且與根皮層通氣組織形成具有同步性。上述發(fā)現(xiàn)提示逆境條件下XTH 可能在植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)修改中發(fā)揮作用，能夠改善植株結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，提高植株抗逆能力。

5 影響XTH 基因表達(dá)的因素

XTH 基因在組織器官中具有表達(dá)特異性，如擬南芥的AtXTH17、AtXTH18、AtXTH19 和AtXTH20 在根中表達(dá)，在根的伸長區(qū)、分化區(qū)、分生區(qū)及成熟區(qū)具有不同的組織特異性分布，而AtXTH1、AtXTH9 在長角果、莖尖的分生組織以及花枝、花芽中表達(dá)。油菜素內(nèi)酯能夠誘導(dǎo)BRU1 基因（XTH 基因家族成員）在豌豆胚軸中表達(dá)，促使維管和皮層細(xì)胞膨脹，同樣使鷹嘴豆XTH 同源基因表達(dá)增加，乙烯、丙烯和1-甲基環(huán)丙烯、生長素和赤霉素在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長發(fā)育過程中也經(jīng)常選擇XTH 基因作為靶點。影響XTH 基因表達(dá)的環(huán)境信號如對擬南芥的觸摸等輕柔刺激可引起AtXTH22（TCH4）基因的表達(dá)增加，導(dǎo)致細(xì)胞遲緩伸長。自身重量也可能成為調(diào)控XTH 基因表達(dá)的機械性刺激，在擬南芥幼苗上綁縛鋁箔的增重刺激和水平放置植株的減重刺激，分別可以增加或抑制XTH 基因在莖的表達(dá)?？梢奨TH 基因家族成員響應(yīng)多種植物激素和環(huán)境信號，提高植株環(huán)境適應(yīng)性。

6 展望

細(xì)胞壁的重構(gòu)在植物生長、發(fā)育及響應(yīng)環(huán)境脅迫過程中普遍存在，可導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量的增加和體積增大，XTH 家族在細(xì)胞壁重構(gòu)過程中扮演著重要角色。盡管通過酶的結(jié)構(gòu)-功能分析收集了許多有意義的證據(jù)，但是要完整了解XTH 家族的糖基轉(zhuǎn)移作用與水解作用的決定因素還需要進一步探究。進一步闡明需要按照不同種屬酶的生物化學(xué)特征，將活性定位到多種XTH 序列中并繼續(xù)進行蛋白質(zhì)工程研究。同時，XTH 家族基因?qū)χ参锟购?、抗鹽性的作用是一個有趣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，其抗逆性機制用已有的植物抗逆性理論無法解釋，針對這一問題進行分子生物學(xué)及生理生化研究將是植物抗逆性研究的新領(lǐng)域，具有非常重要的研究價值。上述問題的解決在改良植株抗逆特性方面具有很好的應(yīng)用前景。