摘要在植物生长发育过程中，木质素合成是极其重要的。其代谢过程涉及多种酶类，而过氧化物酶(POD )就是这一过程的一个关键酶。本文从木质素合成途径、POD 酶学性质以及POD 基因调控等方面综述过氧化物酶对木质素合成的调控，阐述了过氧化物酶与木质素合成的关系，介绍了过氧化物酶的类型、功能及基因层面的研究。 关键词木质素；生物合成；过氧化物酶；研究进展中图分类号Q943文献标识码A 文章编号1007-5739(2021)23-0047-03DOI :10.3969/j.issn.1007-5739.2021.23.019开放科学(资源服务)标识码(OSID ):
Research Progress on Regulation of Peroxidase on Lignin Synthesis
LONG Guohui 1,2,3WU Pengyu 1,2,3FU Jiazhi 1,2,3LU Hongli 1,2,3ZHANG Rui 1,2,3*
(1Key Laboratory of Biological Resources Conservation and Utilization in TarimBasin,Xinjiang Production
and Construction Corps,Alar Xinjiang 843300;
2
College of Plant Science,Tarim University,Alar Xinjiang 843300;
3
National and Local Joint Engineering Experiments of High-efficiency and High-quality Cultivation and Deep Processing
Technology of Characteristic Fruit Trees in Southern Xinjiang,Alar Xinjiang 843300)
Abstract Lignin synthesis is extremely important in the process of plant growth and development,a variety of enzymes are
involved in its metabolism,and peroxidase (POD)is a key enzyme in this process.This paper reviewed the regulation of peroxidase on lignin synthesis from the aspects of lignin synthesis pathway,POD enzymatic properties and POD gene regulation,expounded the relationship between peroxidase and lignin synthesis,introduced the type and function of peroxidase and the research on gene level.
Keywords lignin;biosynthesis;peroxidase;research progress
过氧化物酶调控木质素合成研究进展
龙国辉1,2,3武鹏雨1,2,3付嘉智1,2,3鹿宏丽1,2,3张锐1,2,3*
(1新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室，新疆阿拉尔843300;
2
塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300;
3
特果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室，新疆阿拉尔843300)
作为酚类聚合物之一的木质素，在所有陆生植物体内都有分布，其含量占生物总量的18%~35%[1-2]。木质素作为植物细胞壁中次生壁的重要组成成分，与纤维素、半纤维素共同构成植物细胞壁的基本骨架[3]，保持了植物细胞壁的完整性，提高了植物的强度和硬度[4]。木质素能显著提高植物细胞的疏水性和防渗透性[5]，有利于水分在植物体内远距离运输。此外，木质素还能对植物起到保护作用，可有效防御病虫害的侵染[4]。
1木质素合成途径
目前，普遍认为木质素分为对羟基苯基木质素(H-木质素)、愈创木基木质素(G-木质素)和紫丁香
基木质素(S-木质素)[6]3种类型，这3种木质素单体则分别由香豆醇、松柏醇和芥子醇(图1)[7]在植物体内经过一系列的生化反应过程得到[8-9]。这个反应过程通
常分为3个步骤：第一步是植物将CO 2固定，然后在
体内经过一系列的代谢循环产生苯丙氨酸、酪氨酸和氨酸等氨基酸的过程，称为莽草酸途径[10]，这是植
物、细菌和真菌所特有的木质素代谢途径；第二步是将第一步中产生的几种氨基酸转化为羟基肉桂酸及其辅酶A 酯类化合物的过程，称为苯丙烷代谢途径[11],
催化这个代谢过程的酶主要有苯丙氨酸解氨酶(PAL )、肉桂酸-4-羟基化酶(C 4H )、香豆酸-3-羟基化
酶(C 3H )等[3]；第三步是将第二步中的产物转化为木质素单体的过程，称为木质素合成特异途径[12]。这个途径
分为上游和下游，催化上游的酶类主要有咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT )、4-香豆酸辅酶A 连接酶(4CL )、阿魏酸-5-羟基化酶(F5H )、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(CCoAOMT )等，催化下游的酶有肉桂酰辅酶A
基金项目
新疆生产兵团重点产业创新发展支撑计划项目(2017DB006)；研究生科研创新项目(TDGR I201909)。
作者简介龙国辉(1995—)，男，江西宜春人，在读硕士研
究生。研究方向：果树遗传育种。*通信作者
收稿日期2021-05-04
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还原酶(CCR )、肉桂醇脱氢酶(CAD )等[13]。然后木质素单体再经过氧化物酶(POD )等催化脱氢聚合产生大分子木质素[14]。
2过氧化物酶与木质素合成的关系
作为催化木质素生物合成最后一步反应的酶，过氧化物酶在此过程中起到的作用多样化[15]。Yang 等[16]研究发现，用细胞壁降解酶(BcGS1)刺激番茄细胞，能
激活番茄细胞的防御机制，避免植物受到进一步伤害。经过分析发现，番茄细胞在BcGS1作用下，能促进过氧化氢产生，而过氧化氢提高了过氧化物酶的活性，并进一步自发耦合产生单酚类自由基，形成木质素聚合体。这说明过氧化物酶能通过控制木质素合成阻止细胞进一步受损。以扁桃内果皮为材料，对比内
果皮硬化前、中、后期的相关酶活性表明，随着内果皮
木质化，木质素和纤维素含量均为增加，但酚类物质含量下降;PAL 、C 4H 、CAD 、PPO 的活性在
内果皮硬化前期升高，而后期下降;POD 的活性由酚类物质含量决定，二者成正相关关系，前期酚类物质参与木质素合成被消耗而含量下降时POD 酶活性也下降[17]。吴晓丽等[18]研究发现，离体毛竹笋的纤维素、木质素含量与PAL 、POD 的活性成显著正相关关系，并且贮藏时间与酶活性、纤维素和木质素含量成显著正相关关系。文
菁等[19]研究发现，核桃内果皮硬化初期,PAL 、POD 活性较高，越到后期POD 活性越低。这可能是前期酶活性较高，伴随着木质素的大量合成，程序性死亡的细胞增多，细胞内的养分流失，因而POD 等酶的活性降低。吴嘉玲[20]研究发现,POD 可通过催化松柏醇聚合形成木质素，造成柚汁胞粒化。古湘[21]研究发现，南丰蜜橘囊衣、汁胞的木质素含量与芥子醇和松柏醇含量成极显著正相关关系，而这2种醇又与POD 活性成显著正相关关系，推测认为POD 参与调节南丰蜜橘木质素合成过程。此外，过氧化物酶对木质素合成的调控作用因单体不同而存在差异。有研究表明，细胞壁中的过氧化物酶同工酶POD Ⅰ、POD Ⅱ、POD Ⅲ对木质素单体的作用具有特异性[22]，如POD Ⅰ对香豆醇和松柏
醇的作用更显著，而POD Ⅲ作用不明显。总而言之,
POD 参与木质素合成过程，对木质素合成意义重大。
3过氧化物酶酶学性质
3.1过氧化物酶类型
除了来源于动物体内的过氧化物酶，细菌、真菌和植物体内存在其他的过氧化物酶超家族。按照作用部位不同可分为3类：第1类是胞内型过氧化物酶，如酵母细胞素C 过氧化物酶(CCP )等[23]；第2类是
胞外型过氧化物酶，包括漆酶(Lac )、锰过氧化物酶(MnP )、木质素过氧化物酶(LiP )等[24]；第3类是分泌型过氧化物酶，即常见的植物过氧化物酶。植物过氧化物酶按照底物的不同又可分为3类[25]，第1类是谷胱甘肽过氧化物酶(GPX )，第2类是抗坏血酸过氧化物酶(APX )，第3类是愈创木酚过氧化物酶(PPOD )。其中GPX 和APX 能清除植物在生长发育过程中产生的H 2O 2、·OH 、·O 2-等活性氧[26-27]，对抵抗逆境胁迫具有重
要作用;PPOD 被证实与木质素合成有关。于娟娟[28]在研究砀山酥梨石细胞的木质素合成过程中发现,PPOD 对石细胞和木质素含量的直接影响作用最大，更加印证了这一点。
3.2过氧化物酶的功能
现有研究表明，第3类分泌型过氧化物酶对植物的抗逆反应、生长发育、果实褐变、木质素合成等生理过程起调节作用[29]。王静等[30]研究表明，从烟草中克
隆的NtPOD2基因在根部的表达量高于茎、叶、花，这样便于快速对逆境作出反应，推测该基因参与
了烟草的生长发育和抗逆反应。朱海生等[31]采用cDNA 末端快速克隆(RACE )和逆转录-聚合酶链反应(RT-PCR )技术克隆出了丝瓜果实的褐变基因LcPOD ，实时荧光定量PCR 分析表明，该基因的表达量、POD 酶活性与丝瓜褐变有关。张旭等[32]指出，柑橘汁胞粒化是木质素合成造成的，而POD 是调控这一过程的关键酶之一。对于POD 调控木质素合成的作用机理，有研究发现，在形成木质素单体之后，植物体产生过氧化氢，刺激POD 将单体聚合成多聚体[33]。
总之,POD 在植物生长发育过程中发挥的作用非常大，能提高植物对外界环境的适应力，通过调控木质素合成，增加植物细胞的次生壁厚度，对细胞起到保护作用。但是这只是POD 酶功能的一部分，更多功能还有待深入研究。
4POD 基因克隆及生物信息学分析
目前，许多学者已经从多种植物中克隆出了POD 基因，并利用生物信息学分析方法及转基因技术对其结构与功能展开了一系列的研究。陈义挺等[34]利用RT-PCR 技术从猕猴桃中克隆出了2个POD 基因，并
CH 2OH
CH 2OH
去腐生肌膏CH 2OH
OH
OH OH OMe
OMe
OMe
对羟基苯基
愈创木基
紫丁香基
图1木质素单体结构超声波探测
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用在线工具分析了这2个基因的理化性质、亚细胞定位、保守结构域、二级结构和三级结构等。芮伟康[35]从数据库中筛选出114个过氧化物酶基因构成PRX基因家族，然后采用实时荧光定量PCR方法对这些基因进行验证，再结合生物信息学分析手段，发现PbPRX6与砀山酥梨石细胞中的木质素合成密切相关；并对PbPRX6进行功能验证，通过RT-PCR技术进行扩增，再构建重组表达载体，通过农杆菌转化进入烟草，在激光共聚焦显微镜下观察到PbPRX6基因在细胞膜上表达，且与木质素聚合部位相同，推测该基因与木质素合成有关。陶书田[36]克隆了砀山酥梨和幸水梨果实石细胞形成过程中的POD基因PB-POD和PP-POD，两者相似性达100%，与其他植物也极相似。经比对发现，这2种酶是过氧化物酶家族成员，具有相似的疏水性和相同的三级结构。王丹阳[37]利用RT-
PCR方法从砀山酥梨中克隆得到过氧化物酶基因POD1和POD2，这2个基因的氨基酸序列都与沙梨的同源性最高；系统进化分析可知，这2种基因与蔷薇科的亲缘关系最近；亚细胞定位发现，其在细胞核中表达。刘玉倩[38]研究发现,POD参与刺梨果实发育后期的木质素合成，其编码的核苷酸长度为432bp，但是POD基因表达量与木质素及其单体含量表现不一致，推测该酶可能参与了其他代谢过程。代红艳等[39]利用RT-PCR技术从山楂中克隆出CpPOD72基因，通过农杆菌法导入烟草进行遗传转化，结果发现，转基因烟草的木质素含量高于非转基因烟草，证明了山楂的CpPOD72基因与木质素合成有关。综上可知，在木本植物或草本植物中,POD酶以多种形态、多种形式对木质素的合成起到了重要作用。
5展望
木质素生物合成不但涉及多种酶类，还有NAC、MYB、WRKY、bHLH等转录因子的协同作用[40]，由此可以看出这一过程的复杂程度。目前，对过氧化物酶的功能及其基因的研究主要集中在植物抗逆等方面，而对过氧化物酶调控木质素合成方面的研究较少，因而对后者的研究有待进一步深入。
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加土壤有机质含量，但土壤有机质的增加是一个积累过程，仅通过施用一次含有有机质的肥料并不能显著增加土壤有机质含量。
3结论与讨论
试验结果表明，施用微生物菌剂(十二季全营养)能显著提高马铃薯的出苗率，促进马铃薯生长，增加株高和叶片数量，提高光合作用效率，促进增产。同时，施用微生物菌剂(十二季全营养)能提高马铃
薯的开花率，显著提高马铃薯块茎的重量和马铃薯的单株重，并可提高马铃薯产量(较施用复合肥提高26.55%，较不施肥提高130.93%)。
很多研究表明，植物病害与土壤微生物活性和种类的变化有关，而增施微生物菌剂(十二季全营养)可以预防土传病害[8-9]。施用微生物菌剂(十二季全营养)能够降低青枯病和根腐病的发病率，提高植株抗逆性。另外，施用微生物菌剂(十二季全营养)能有效改善土壤团粒结构，补充土壤有机质，中和酸性土壤，固定和活化土壤营养，平衡土壤养分供给，保水保肥，增强土壤肥力。
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