XTH家族基因在植物生长发育及胁迫响应中的研究进展

关键词：细胞壁修饰酶；木葡聚糖内转糖基酶/水解酶（XTH）；生长发育；胁迫响应

植物细胞壁是植物细胞所特有的细胞结构，主要由纤维素、半纤维素、果胶等组成，通常还含有糖蛋白和木质素［1］。除禾本科外，木葡聚糖是构成植物细胞初生细胞壁的最主要的半纤维素［2］。经典的植物细胞壁结构模型表明，木葡聚糖链将纤维素微纤维拴在一起，果胶等充斥在纤维素-木葡聚糖网络［3］。这种结构使得细胞壁具有一定的机械强度和动态延展性，既起到支撑和保护细胞的作用，又能满足细胞的生长。

植物木葡聚糖内转糖基酶/水解酶（XTH）具有催化断裂和再连接木葡聚糖-纤维素交联网络的功能，被认为是控制细胞壁蠕变的间接松动剂，催化木葡聚糖的切割和重新连接从而完成细胞壁的动态重构，调控细胞壁的松弛与强化［4，5］。研究表明，XTHs参与细胞伸长、开花过程、果实成熟软化及逆境胁迫等植物生长的许多方面，对植物的生长发育至关重要。本综述主要讨论了XTH家族基因在植物生长发育及其在胁迫响应中的作用。

1 XTH的特点与分类

植物细胞具有多种糖基水解酶（GH），在模式植物拟南芥中，依据CAZy命名法对糖基水解酶家族进行分类，共有29个糖基水解酶家族，其中包括GH16在内的13个糖基水解酶家族参与植物细胞壁的组装［6］。GH16根据蛋白质结构域中的氨基酸序列相似性又分为23个亚家族，植物XTH是GH16的亚家族之一，即GH16_20［7］。XTH主要以木葡聚糖为底物，其转糖基酶（XET）活性可以切割木葡聚糖并将新的还原端连接到另一个木葡聚糖的非还原端；此外，XTH还具有水解酶（XEH）活性，能水解木葡聚糖［8，9］，但XET被认为是XTH的主要活性［10］。研究表明，XTHs的保守的DEIDFEFLG结构域对其发挥催化功能是必须的，且其附近有N-连接的糖基化位点［11，12］。然而，在水稻中的部分XTHs没有发现糖基化位点［13］。

至今为止，已经在许多不同的物种中鉴定出了XTH基因家族，不同物种所含有XTHs的数量不同。如在单子叶植物中，水稻（Oryzasativa）［13］、小麦（Triticumaestivum）［14］和凤梨（Ananascomosus）［15］分别有29、71和24个XTHs基因；而在双子叶植物中，如拟南芥（Arabidopsisthaliana）［16］、杨树（Populuscathayana）［17］和番薯（Ipomoeabatatas（L.）Lam）［18］分别有33、38和36个XTHs基因。XTH基因家族根据序列的相似性分为3类，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类［19］。其中，第Ⅲ类又可细分为可以分为ⅢA类和ⅢB类［20］。然而，在某些物种如水稻中，Ⅰ类和Ⅱ类的差异并不明显，但Ⅲ类与Ⅰ类和Ⅱ类之间存在较大差异，因此划分为Ⅰ/Ⅱ类和Ⅲ类［13］。同样，在番薯中Ⅰ和Ⅱ类差别不明显，在系统发育分析中聚类成一个Ⅰ/Ⅱ亚家族［18］。此外，不同的亚家族成员具有不同的酶活性，Ⅰ、Ⅱ和ⅢB类有内转糖基酶活性，而ⅢA类有水解酶活性［11，19，20］。在模式植物拟南芥中，除少数成员外，Ⅰ类和Ⅲ类大多数成员有4个外显子，Ⅱ类大多数成员有3个外显子［19］。在其他多数物种的多数基因中含有3-4个外显子，如水稻、小麦、苎麻和甘薯等［13，14，18，21］。

2 XTHs参与植物的生长发育

2.1 XTHs促进植物的生长

许多研究表明XTHs参与调控根、茎和叶的生长发育。其中，对根系生长的调控作用包括主根、侧根、不定根等。拟南芥xth22突变体表现出生长迟缓的表型，相较于野生型其主根长变短，侧根数目明显减少，然而将甜菜（BetavulgarisL.）BvXTH17转入拟南芥xth22突变体，增加了其主根长、侧根数等，减轻了xth22突变体的生长抑制［22］。此外，过表达BvXTH8的转基因拟南芥表现出更高的XTH活性，其主根长及鲜重高于野生型［23］。Xu等人观察到拟南芥xth19xth23双突变体也表现出了主根长减小和侧根数减少的表型，但过表达XTH19和过表达XTH23的转基因拟南芥植株表现出正常的表型，说明XTH19和XTH23在拟南芥根系的生长过程中起着重要作用［24］。在万寿菊（TageteserectaL‘.Marvel’）中，2，4-表油菜素内酯处理能够提高XTH的活性，且促进了不定根的发生［25］。

植物通过避荫反应来适应红光/远红光比值的降低，XTHs参与其中，其相关表现主要有茎和叶柄的伸长等。如在拟南芥中，XTH15和XTH17基因敲除突变体在绿荫和低红光/远红光下的叶柄伸长速率与野生型相比降低［26］。此外，皮质微管的动力学变化可以通过控制生长素的重新分布来促进XTH17和XTH19的表达，进而促进遮荫下拟南芥叶柄的伸长［27］。Sharma进一步发现XTH17也参与到茎的伸长过程中，其表达能被转录因子HY5和HYH抑制进而抑制茎的伸长［28］。近几年的研究表明XTHs对下胚轴的伸长也起着重要作用。如转录因子SHR、WOX2和WOX4都能够调控拟南芥相关XTHs的表达进而参与下胚轴的伸长［29，30］。

2.2 XTHs参与调控植物开花与花瓣脱落

目前，XTHs调控植物开花与脱落的研究主要集中在观赏植物上，从花蕾生长到花瓣开放与闭合再到花瓣脱落均受到XTHs的调控且受到多种因素的影响。在百合（Lilium‘Sorbonne’）中，LhXTH1转录水平在花蕾的生长过程中呈上升趋势，至花朵开放相对表达量达到最高，而后在花瓣完全开放时相对表达量又下降，说明LhXTH1在百合花蕾的生长伸长过程中起着重要的作用［31］。在牵牛花（Pharbifisnil）花瓣中，InXTH2、InXTH3和InXTH4的相对转录本丰度在4h黑暗处理后保持在较低水平，在8h黑暗处理后显著上调，但在持续的光照条件下始终保持在较低水平，这表明暗期长短通过影响XTHs的转录水平调控花瓣的闭合和开放的转化［32］。此外，丹桂（Osmanthusfragrans）的开放主要受环境温度的影响，19℃会促进其开花而23℃会抑制其开花，作者发现包括OfXTH24在内的5个XTHs被低温（19℃）诱导，表达量显著提高，促进了花的开放［33］。除参与花器官的生长与开放外，XTHs也参与花瓣的脱落过程。如高剂量乙烯处理使RbXTH1和RbXTH2在玫瑰（Rosabourboniana）花瓣中表达水平显著提高，加速了花瓣的脱落［34］。

2.3 XTHs调控果实的成熟软化

在许多植物中发现XTHs参与果实成熟软化过程的调控。多数研究表明，XTHs能够降低果实的硬度，加快果实的成熟和软化。如在甜樱桃（PrunusaviumL.）果实中瞬时表达PavXTH14、PavXTH15和在苹果（Maluspumila）中瞬时过表达MdXTHB都显著降低了果实的硬度，加快了果实的成熟软化［35，36］。此外，基因敲除试验也能够充分证明XTHs在促进果实成熟软化中的作用。在番茄（Solanumlycopersicum）中，SlXTH5敲除突变体中，果实硬度略大于野生型，且果皮颜色指数显著下降［37］。然而，有研究表明XTH也具有延缓果实的成熟的作用。如DkXTH1转基因番茄果实采收后的颜色由绿变黄再变红的过程相较野生型出现延迟，且转基因番茄的硬度下降比野生型慢，说明DkXTH1能够延缓果实的成熟［38］。

在XTHs参与调控果实成熟软化的过程中，植物激素和转录因子也参与其中。如乙烯能促进海巴戟果实的成熟，其成熟过程中McXTH的表达量与乙烯释放量呈正相关，均呈上升趋势［39］。除乙烯外，一定浓度的脱落酸和茉莉酸甲酯的处理使得PavXTH15表达上调，进而促进了甜樱桃果实的成熟与软化［35］。此外，转录因子也能调控XTHs的表达进而调控果实的成熟和软化。如转录因子AcNAC1和AcNAC2能够激活AcXTH1和AcXTH2的表达进而参与猕猴桃（Actinidiachinensis）的成熟和软化［40］。

3 XTHs参与植物胁迫响应

已鉴定到不同的XTHs基因参与植物水分胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、温度胁迫等逆境胁迫响应，通过调整细胞壁的结构以适应不同的外界环境［41］。

3.1 XTHs参与水分胁迫

水分胁迫主要分为干旱和水淹两种，植物可以通过调节XTHs的表达参与缓解这两种水分胁迫。研究表明，干旱胁迫下，耐旱水稻和旱敏感水稻品种中OsXTH5和OsXTH19表达上调，但耐旱水稻的基因表达水平更高。在复水后，OsXTH19表达量减少，而OsXTH5表达量增加，表明它们参与缓解干旱胁迫［42］。此外，小麦TaXTH12.5a转基因拟南芥在干旱胁迫下的根与下胚轴更长且表现出更高的萌发率，同样，TaXTH-7A转基因拟南芥在干旱胁迫下也表现出更高的存活率，表明部分的小麦XTH基因在能够增强拟南芥的抗旱性［14，43］。除干旱外，在水淹处理下，大豆（Liriodendronchinense）的AtXTH31异源表达植株相较于野生型植株表现出更长的根下胚轴，对水淹胁迫的耐受性提高［44］。

3.2 XTHs参与盐胁迫

XTHs能够参与盐胁迫，且其在耐盐植物的耐盐性中发挥重要作用。在盐胁迫下，葡萄（VitisviniferaL.）根中11个VvXTHs基因表达上调［45］，盐角草（SalicorniaeuropaeaL.）根和茎中的多个SeXTHs基因也呈正表达［46］。然而，在黑果枸杞（Lyciumruthenicum）的根部组织中，除LrXTH3、LrXTH9、LrXTH18和LrXTH19在盐胁迫下上调外；LrXTH5和LrXTH8有较明显的下降趋势，表明多个XTHs基因参与到了盐胁迫响应的过程中并起着不同的作用［47］。此外，Xu等人发现油菜素甾醇能够通过转录因子BES1调控AtXTH23和AtXTH19的表达从而保证盐胁迫下的拟南芥侧根的发生进而缓解盐胁迫［24］。

3.3 XTHs参与金属离子的胁迫

有关XTHs参与金属离子胁迫的研究主要集中在铝和镉上。拟南芥xth31突变体的根系相较野生型更短，突变体中XTH31积累较少，使得木葡聚糖含量较低，因而形成较少的铝-木聚糖复合物，减少了铝在根部和细胞壁中的积累，缓解了铝胁迫［48］。xth17突变体与xth31突变体表型相似，半纤维素含量较低，细胞壁中积累的铝也较少，且XTH17和XTH31可以在体内与体外结合，说明XTH17与XTH31可能以二聚体形式存在，通过调节半纤维素含量和铝的结合能力来影响拟南芥对铝的敏感性［49］。此外，Tao等人发现，转录因子ANAC017能够激活AtXTH31的表达，而ANAC017功能缺失会增强对铝的耐受性，同时根和根细胞壁中铝的积累也会减少，进一步印证了XTH31能够影响拟南芥对铝的敏感性［50］。然而，铝胁迫下，过表达玉米ZmXTH的拟南芥转基因植株的根更长，根部和细胞壁中铝的积累更少，说明了XTH在缓解铝胁迫上也起着一定作用，但可能与上述拟南芥突变体应对铝胁迫的机制不同［51］。此外，褪黑素处理能部分恢复铝胁迫引起的细胞增大和不规则形状，使苜蓿根细胞排列相对紧凑，在基因水平上，褪黑素处理上调了XTH基因的表达，这表明褪黑激素有可能通过增强铝与细胞壁的结合等机制减轻铝的毒性［52］。

在苎麻（Boehmerianivea）中，大多数BnXTHs基因响应镉胁迫，其中BnXTH1、BnXTH3、BnXTH6和BnXTH15表达量显著增加，且BnXTH1、BnXTH6和BnXTH15的转基因酵母细胞提高了对镉胁迫的耐受性［21］。Ma等人进一步发现，镉会诱导茉莉酸甲酯的积累从而激活BnXTH1的表达，而在苎麻中过表达BnXTH1显著增高了半纤维素的含量，促进了镉与半纤维素的结合，减少了镉在细胞内的积累，缓解了镉的胁迫［53］。而过表达杨树PeXTH的烟草虽然也提高了对镉的耐受性，但提高了木葡聚糖降解活性，根细胞的细胞壁中木葡聚糖含量降低，镉离子的结合位点减少从而减少了镉的摄入和积累，缓解了镉对转基因烟草的毒害作用［54］。此外，还有研究发现镉处理下耐镉的拟南芥生态型与对镉敏感的拟南芥生态型相比，其XTH表达水平低，但半纤维素含量高，其可能与镉结合从而减少了镉的流入和积累［55］。由此可见，虽然XTHs参与到植物缓解镉胁迫的过程中，但是其具体的调控方式并不相同。

3.4 XTHs参与生物胁迫

研究表明，不同植物的某些病害的病害程度与XTH表达水平有关。如过表达CsXTH04使柑橘（Citrussinensis）更容易感染柑橘细菌溃疡病，而沉默CsXTH04使柑橘的抗细菌溃疡病的能力增强［56］。此外，在大豆中GmXTH43能够抑制大豆包囊线虫的寄生，且其表达水平受到GmCCA1-1表达水平的影响，呈正相关关系［58］。Niraula进一步研究发现，GmXTH43转基因陆地棉（Gossypiumhirsutum）增强了对南方根结线虫（Meloidogyneincognita）的抵抗性［57］，由此表明GmXTH43在植物抵御线虫寄生过程中起着重要作用。

4 总结与展望

植物细胞的生长离不开细胞壁的扩大，木葡聚糖作为构成植物细胞壁的最主要的半纤维素一直受到广泛的关注。近年来，有关XTH基因家族的研究已经取得了很大的进展，已经在许多物种中鉴定出了XTH基因家族成员并且对其中一些家族成员进行了生物信息学与功能分析，发现其广泛参与根、茎和叶等生长和开花以及果实的成熟等植物的生长发育和逆境胁迫等诸多生命活动。这些研究让人们对XTH对植物生长发育和适应逆境胁迫的作用有了更深的认识和理解。然而，仍有许多问题有待探索：1）目前有关于XTHs的研究还集中在个别基因家族成员的功能研究，而对其上游调节因子以及下游靶基因的研究较少，还有待深入研究。2）尽管有关研究已表明XTHs参与植物多种生命活动的调节，能够响应多种植物激素的处理，且也与相关转录因子相互作用进而调节植物生命活动，但是其具体的作用的分子机制及调控网络还并不清楚。3）研究表明，XTHs参与植物开花过程的调控、果实的成熟软化，还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与调控机制有助于对作物进行性状改良，培育优新品种。