木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶（XTH）研究进展

王大鹏，吕鑫亿，闫金国，黄 姗

（潍坊护理职业学院医学基础部，山东 青州 262500）

木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶（xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase，XTH）是一种细胞壁松弛酶，是植物细胞壁重构过程中的关键酶，高等植物中保留了大量XTH 基因家族（由20～60 个基因组成），其成员以组织、时间及刺激依赖的方式活跃表达，最近研究发现木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶通过响应多种植物激素以及其他环境信号，调控植物生长发育，并在植株形态建成中发挥重要作用。

1 XTH 结构基础

XTHs 属于糖苷水解酶家族GH16。在模式植物拟南芥中已克隆出33 个编码XTH 蛋白家族基因的ORF。XTH 家族的蛋白结构中共同具有一个DEIDFEFLG 的特征结构域，其中包含的氨基酸残基是实现酶促反应的关键。对拟南芥AtXTH22 基因蛋白DEIDFEFLG 基序中的首个谷氨酰胺残基进行定点突变，发现其在AtXTH22 蛋白酶触反应中必不可少。同时发现，催化位点附近的苏氨酸或丝氨酸残基上的N-聚糖对维持酶结构和活性具有重要性，通过定向诱变或酶解的方法去除这段N-聚糖，则大大减少了许多XETs 固有的折叠数量及稳定性。

2 XTH 酶活性

木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶（XTH）基因编码的蛋白质具有潜在的两种不同的催化活性，对木葡聚糖具有完全不同的效应，同时具有木葡聚糖内糖基转移酶活性和木葡聚糖内糖基水解酶活性，可导致链的不可逆性缩短。VaXTH1 酶活性受pH 调节，在pH 为5.8 时具有最大的转移酶活性。同样，研究发现pH在6 以上时，重组杨树XTH 蛋白及旱金莲胚轴XTH 蛋白活性急剧下降。上述研究提示XTH 酶活性可能响应质外体pH 的变化，调控植物生长发育。

3 XTH 作用机制

植物细胞的伸长和扩张是一个高度协调的复杂过程。在细胞伸长和扩张过程中，细胞形态由细胞壁控制，细胞壁生化特性改变中的膨压驱动细胞扩张。植物细胞壁由纤维素结晶、纤维素微纤丝和半纤维素等多聚物组成，XTH 发挥作用需要以β-1，4 糖苷键等基本的葡聚糖结构为基础。研究发现木葡聚糖的剪切和连接在细胞壁的伸长和扩张过程中起到关键作用，木葡聚糖是构成细胞壁多聚物的重要成员，如木葡聚糖与纤维素微纤丝表面结合，介导形成纤维素微纤丝-木葡聚糖交联网络系统。目前，XTH 被认为在植物细胞壁松弛过程中发挥重要作用，其促使植物细胞壁伸长和细胞体积膨大主要依赖XTH 蛋白介导的两个催化过程：①内切木葡聚糖链；②将新生成的木葡聚糖分子转移到同类分子的非还原端。

细胞壁结构改变的四种方式中XTH 发挥重要作用。XG 为细胞壁中的木葡聚糖分子，CM 代表细胞壁中的纤维素微纤丝。A和B 所示为细胞壁扩张过程：A 过程中单纯的木葡聚糖内糖基水解酶发挥作用，承重木葡聚糖交联被水解，B 过程中木葡聚糖内糖基转移酶发挥作用，介导细胞壁结构间交联。C 和D 所示为细胞壁沉积过程：C 过程由单纯的木葡聚糖内糖基转移酶催化，木葡聚糖在原始的和新生成的细胞壁结构间交联使细胞壁结构物质增加，但并未实现细胞壁扩张，D 过程由木葡聚糖内糖基转移酶催化，已有的细胞壁成分与新生成的细胞壁物质交联并引起细胞壁扩张。

4 XTH 在植物生长发育中的作用

4.1 根、茎、叶形态建成

近期研究发现XTH 家族基因在植物根、茎、叶的形态建成特别是伸长生长方面有重要作用。对白桦苗木根、茎和叶中XET 基因表达量进行sqRT-PCR 分析，发现生长中的茎比叶片组织表达水平高，说明XET 基因在白桦根、茎和叶3 种组织的细胞壁形态建成过程中发挥重要作用[1]。Chen，JR 等进行蒺藜苜蓿XET基因的RNAi 实验表明，干扰该基因后影响根系的正常生长，根系明显缩短，甚至不再生长。对拟南芥和烟草根中XET 活性研究发现，伸长区细胞XET 活性比非伸长区细胞XET 活性更高。在XET 活性与大麦叶伸长关系的研究中发现，用GA3 处理过的叶子的某些部位其XET 的mRNA 水平升高，生长速率明显加快，说明GA3 通过提高XET 基因的转录水平促进叶部形态建成。Uozu 等在水稻中分离出四种与XET 有关的基因，发现OsXTRI 和OsXTR3 两个基因能够促进水稻节间伸长。上述研究提示XTH 活性与根、茎、叶的形态建成特别是伸长发育具有相关性，但也存在例外，可能XTH 不同成员之间存在功能上的歧化，对于各成员与根、茎、叶形态建成关系的详细阐述需要进一步探究。

4.2 木质部形成

XTH 活性与植物木质部生长关系密切。研究发现拟南芥木质部的XET 表达量远远大于韧皮部，能够促使木质部细胞膨胀。对GA 的过表达转基因植株检测分析表明，XET 蛋白是提升木材形成速率的关键酶之一。在松树的木质部和初生组织中同样发现了XET 的表达。上述研究提示XTH 蛋白可能参与了木质部组织中木葡聚糖链的组装，促进木质部细胞壁结构的形成。

4.3 果实发育

XTH 的活性还与一些果实生长发育、成熟、软化有关。丛郁等[2]从成熟的砂梨果实中克隆获得PpXTH 基因，其所表达的蛋白与猕猴桃AdXTH5、苹果MdXTH11 等在果实成熟中表达的蛋白具有高度同源性，在果实软化过程中表达量急剧增加。MAXET1 在香蕉果肉软化过程中同样起到重要作用，并且与果皮的硬度关系密切。上述发现提示XTH 在维持果实发育中细胞壁的完整性发挥重要作用，可能是XTH 不同成员间协同作用的结果。

4.4 植物抗逆性

近些年，XTH 活性与植物抗逆性的研究受到重视，主要集中在其耐盐、耐旱性的研究。对用NaCl 处理后的群众杨和胡杨XET 基因表达量进行microarray 分析，结果发现XET 基因在耐盐的胡杨中表达量增加，而在不耐盐的群众杨中表达量下降，并通过RealtimePCR 进一步验证了这个结果，胡杨peXET 基因转入烟草，烟草植株耐盐性明显增强。SeokKeunCho 等研究发现辣椒XTH 同源基因pCaXTHI，PCaXTHZ 和PCaXTH3 响应干旱、低温和高盐等多种非生物胁迫，对拟南芥CaXTH3 基因过表达植株耐盐性分析发现，过表达植株耐盐性显著增强，并在一定程度上增强了对水分缺失耐受性，同时伴有叶形的变化和叶肉细胞数目增多。厌氧条件下XET 基因在小麦根和芝麻中表达量也出现上调现象，并且与根皮层通气组织形成具有同步性。上述发现提示逆境条件下XTH 可能在植物细胞壁的结构修改中发挥作用，能够改善植株结构适应性，提高植株抗逆能力。

5 影响XTH 基因表达的因素

XTH 基因在组织器官中具有表达特异性，如拟南芥的AtXTH17、AtXTH18、AtXTH19 和AtXTH20 在根中表达，在根的伸长区、分化区、分生区及成熟区具有不同的组织特异性分布，而AtXTH1、AtXTH9 在长角果、茎尖的分生组织以及花枝、花芽中表达。油菜素内酯能够诱导BRU1 基因（XTH 基因家族成员）在豌豆胚轴中表达，促使维管和皮层细胞膨胀，同样使鹰嘴豆XTH 同源基因表达增加，乙烯、丙烯和1-甲基环丙烯、生长素和赤霉素在调节细胞生长发育过程中也经常选择XTH 基因作为靶点。影响XTH 基因表达的环境信号如对拟南芥的触摸等轻柔刺激可引起AtXTH22（TCH4）基因的表达增加，导致细胞迟缓伸长。自身重量也可能成为调控XTH 基因表达的机械性刺激，在拟南芥幼苗上绑缚铝箔的增重刺激和水平放置植株的减重刺激，分别可以增加或抑制XTH 基因在茎的表达。可见XTH 基因家族成员响应多种植物激素和环境信号，提高植株环境适应性。

6 展望

细胞壁的重构在植物生长、发育及响应环境胁迫过程中普遍存在，可导致细胞数量的增加和体积增大，XTH 家族在细胞壁重构过程中扮演着重要角色。尽管通过酶的结构-功能分析收集了许多有意义的证据，但是要完整了解XTH 家族的糖基转移作用与水解作用的决定因素还需要进一步探究。进一步阐明需要按照不同种属酶的生物化学特征，将活性定位到多种XTH 序列中并继续进行蛋白质工程研究。同时，XTH 家族基因对植物抗旱、抗盐性的作用是一个有趣的科学发现，其抗逆性机制用已有的植物抗逆性理论无法解释，针对这一问题进行分子生物学及生理生化研究将是植物抗逆性研究的新领域，具有非常重要的研究价值。上述问题的解决在改良植株抗逆特性方面具有很好的应用前景。