1、8 Review! 3o# eZ魏建华 宋艳茹(中国科学院植物研究所, 北京 100093)1oM: 木质素;生物合成途径;生物合成调控;制浆造纸ms |:Q946 DS M :A cI|:0577-7496(2001)08-0771-09Recent Advances in Study of Lignin Biosynthesis and ManipulationWEI Jian_Hua, SONG Yan_Ru(Instituteof Botany, TheChineseAcademy ofSciences, Beijing 100093, China)Abstract: Ligninwi
2、th importantbiological functions isthe second abundant natural product, its content isonly lessthan cellulose in plant.But the lignin mustbe extractedfrom the cellulose fractionin making paperpulp process leading energy_requiring, cost_increasing and pollution.Also, the lignin has negative effect on
3、the digestibility of silagegrass.So itisof considerable interestto reduce the lignincontentin resource plants.The paper reviewstheprogressof ligninbiosynthesisand regulation.The feasibility of reducing the lignincon-tent andaltering its compositionfor improving paper pulpproduction and decreasing po
4、llution are discussed.Key words: lignin;biosynthetic pathway;manipulation of biosynthesis;paper pulping木质素是植物体中仅次于纤维素的一种重要大分子有机物质,具重要生物学功能。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度,利于疏导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。陆生植物的木质素合成是适应陆地环境的重要进化特征之一。然而,制浆造纸的中心环节是用大量化学品将原料中的木质素与纤维素分离,纤维素用于造纸,分离的木质素等成为造纸工业的主要废弃物,对江河湖海的污染触目惊心。脱木质素的化学品投入及废
5、液的碱回收处理需大量耗能并增加造纸成本。饲草的木质素还影响牲畜的消化与营养吸收,木质素含量的高低是饲草优劣的指标之一。降低木质素含量或改变其组分,将有利于更好地利用资源植物。环境保护是21世纪令人瞩目的研究课题,其中源头治理污染、实现清洁生产在国际上已成为重要研究方向。造纸原料植物的木质素是制浆造纸产生废水污染的根本原因。通过转基因技术调控植物木质素含量与组分,可以从源头造纸原料入手治理造纸废水污染并降低造纸成本。该项研究在国际上已成为热点,且木质素生物合成途径的基础研究也日新月异,而我国尚属空白。本文介绍了木质素生物合成途径及其调控的研究进展,主要目的在于采用生物高技术手段,调节植物次生代谢
6、过程,降低造纸原料植物的木质素含量或改变其组分,达到减轻造纸废水污染和降低造纸成本的目的。1 ! +木质素是复杂的苯丙烷单体聚合物,3种主要单体为香豆醇(coumaryl alcohol)、松柏醇(coniferylal-cohol)和芥子醇(sinapylalcohol)。因单体不同,可将木质素分为3种类型(图1):由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素(syringyl lignin,S_木质素);由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素(guaiacyl lignin,G_木质素)和由对_羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对_羟基苯基木质素(hydroxy_phenyl lig
7、nin,H_木质素)。植物体木质素含量在15% 36%之间。裸子植物主要为愈创木基木质素(G);双子叶植物主要含愈创木基_紫丁香基木质素(G_S);单子叶植物则为愈创木基_紫丁香基_对_羟基苯基木质素(G_S_H)。木质素单体具较大多样性,单体间连接的化学键约20多种。目前还未在任何一种植物中发现可降解木质素的酶1 。收稿日期:2001-01-13 接受日期:2001-04-26通讯作者。Author for correspondence.植 物 学 报 2001,43(8):771-779 Acta Botanica Sinicam1. 不同木质素单体的结构与木质素类型。Fig.1. Dif
8、ferent structures of monolignols and different types oflignin.2 ! 8 3木质素单体合成是经过苯丙酸(phenylpropanoidpathway)途径进行的,由苯丙氨酸(或酪氨酸)脱氨形成肉桂酸起始,经一系列羟基化、甲基化与还原反应,最终生成3种主要单体(图2)。m2. 木质素单体生物合成途径15,16 。Fig.2. Biosyntheticpathway of lignin 15,16 .PAL, phenylalanine ammonialyase;TAL, tyrosine ammonialyase;F5H, ferul
9、ate 5_hydroxylase;C4H, cinnamate 4_hydroxylase;CCH, coumaroyl_CoA 3_hydroxylase;4CL, coumarate_CoA ligase;CCoAOMT, caffeoyl_CoA 3_O_methyltransferase;C3H, coumarate3_hydroxylase;CCR, cinnamoyl_CoA reductase;COMT, caffeicacid_3_O_methyltransferase;CAD, cinnamoyl alcohol dehydroge-nase;CoA, coenzyme A
10、.2.1 8 SQPAL (phenylalanine ammonialyase)与 TAL (tyro-sine ammonialyase)位于苯丙酸途径的入口,其中TAL仅存在于禾草类植物中。TAL催化酪氨酸脱氨直接生成香豆酸,PAL催化苯丙氨酸脱氨生成肉桂酸,再经C4H 催化生成香豆酸。近来发现玉米 PAL的cDNA在E coli 中表达,同时具有PAL与TAL酶活性。在禾草类植物中,PAL活性也远比TAL高,因此认为TAL只起辅助作用2 。PAL与C4H (cinnamate 4_hydroxylase)并非特异地参与木质素单体合成,也是非木质素酚类物质合成的中间环节。Bate等3研究
11、表明只有PAL抑制到一定水平时才影响木质素的生物合成,而经苯丙酸途径合成的其他物质对PAL比木质素要敏感得多。抑制PAL与C4H的转基因植物的木质素含量下降,伴随非正常生长4 ,这与其在植物次生代谢途径中的多功能相符。Sewalt等4发现抑制PAL或C4H表达的转基因烟草木质素含量降低,且组分的S/G比值也明显改变。因此推测木质素单体合成中,在PAL或C4H所催化的入口反应就发生了G或S的特异性分支。该假说尚待其他分子生物学证据支持。2.2 Q在苯丙酸途径中发现两个羟基化酶。C3H(coumarate 3_hydroxylase)催化香豆酸生成咖啡酸。对该酶仅有体外研究,体内研究证据不足。另一
12、个羟基化酶是F5H(ferulate 5_hydroxylase)。缺乏F5H活性的拟南芥fah1突变体中几乎全部为G_木质素;F5H过量表达的转基因拟南芥、烟草与杨树中S_木质素的生物合成显著增加,G_木质素生物合成被明显抑制5,6 。由此可以推断F5H在S_木质素合成中为必须环节,没有可替代的支流。以前认为F5H催化阿魏酸羟基化生成5_羟基阿魏酸(图3)。但Humphreys等7与Osakabe等8发现F5H可以催化松柏醛和松柏醇5位置羟基化,其活力高于催化阿魏酸羟基化。故现在认为F5H在木质素单体合成途径中催化松柏醛和松柏醇羟基化生成S_木质素单体(图2)。2.3 JQ木质素单体生物合成
13、需经3和5位置的两步甲基化反应。COMT(caffeicacid_3_O_methyltransferase)与CCoAOMT (caffeoyl_CoA 3_O_methyltransferase)是两个不同底物水平上的甲基化酶。COMT 发现较早,CCoAOMT近来才被证实与木质化有关。Pakusch等9首先提出可能存在一种催化咖啡酰CoA (coen-zyme A)甲基化的甲基转移酶;Kuhnl等10与Pakusch等9在欧芹和胡萝卜的细胞培养液中发现了该酶活性9,10 ,由于其活性受真菌激活子诱导,起初认为与植物抗病有关。Schmitt 等11 从欧芹中克隆了CCoAOMT的cDNA,
14、但并未确定其功能。Ye等12,13772 植 物 学 报 ActaBotanicaSinica 43卷在百日草中首次证实CCoAOMT参与木质素的生物合成。抑制CCoAOMT表达的转基因烟草14 与杨树15,16的木质素含量下降更证实CCoAOMT的功能。Li和Osakabe17 首次从裸子植物松树中克隆了CCoAOMT基因,发现该酶对咖啡酰CoA的活力是5-羟基阿魏酰CoA的3.2倍,与松树主要含G_木质素相一致。以前认为COMT在木质素合成中催化咖啡酸与5_羟基阿魏酸甲基化分别生成阿魏酸与芥子酸;CCoAOMT催化咖啡酰CoA和5_羟基阿魏酰CoA甲基化分别生成阿魏酰CoA与芥子酰CoA。
15、因此5_羟基阿魏酸可在COMT作用下甲基化生成芥子酸,参与S_木质素的合成(图3)。但许多研究表明, 4CL(coumarate CoA ligase)催化芥子酸生成芥子酰CoA的效率极低,以至于在植物体内,该途径不足以合成S_木质素18 。Meyermans等15对抑制CCoAOMT表达的转基因杨树进行研究,在醇溶组分中发现芥子酸被转化为芥子酸葡萄糖苷,其含量在可溶性酚物质中大量累积(超过10%),因此推断芥子酸并不是木质素生物合成反应的中间环节。近来发现COMT可以高效催化 5_羟基松柏醛和5_羟基松柏醇甲基化7,8,19 。其他研究亦表明松柏醇可作为前体合成S_木质素20 。故现在认为C
16、OMT在木质素生物合成中催化咖啡酸、5_羟基松柏醛和5_羟基松柏醇甲基化分别生成阿魏酸、芥子醛和芥子醇,CCoAOMT催化咖啡酰CoA甲基化生成阿魏酰CoA。抑制COMT表达,转基因植物木质素中S组分明显降低;CCoAOMT被抑制,S与G同时减少,但S/G比值增加。Humphreys等7与Osakabe等8 认为,CCoAOMT可能主要参与G_木质素前体的合成,COMT主要参与S_木质素前体的合成。但来源于苜蓿21 、松树 22 、杨树23与烟草19 的重组COMT不仅催化咖啡酸甲基化,而且可有效催化咖啡酰CoA甲基化。这意味着CCoAOMT被抑制后,COMT可进行补偿。然而,转基因研究表明并
17、不存在这种补偿作用。对这个矛盾的解释还需深入研究。2.4 Q肉桂酸在4CL作用下生成相应CoA酯,实际是对将被还原的基团进行活化。转基因植物研究表明,不同植物的4CL功能不尽相同。Lee等24 在4CL活性降低的转基因拟南芥中发现S_木质素含量明显下降,G_木质素无明显改变。转基因烟草的结果却与此不同,两种木质素都降低,且G_木质素降低幅度更大25,26 。但Hu等27在转基因杨树中发现茎中木质素含量下降,S/G比值不变,认为4CL催化的反应尚未出现S与G代谢流向的分支,不会影响S/G比值。3种转基因植物的研究结果并不一致。抑制4CL的转基因植物的木质素含量均明显下降,表明该酶在木质素单体合成
18、途径中为限速步骤,但其具体功能尚需研究。m3. 被否定的S_木质素合成途径。Fig.3. The deniedpathway of S_ligninbiosynthesis.4CL, CCoAOMT, CoA andF5H see theFig.2.2.5 QCCR(cinnamoyl_CoA reductase)可还原3种羟基肉桂酸的CoA酯,生成相应肉桂醛,CAD(cinnamoylalcoholdehydrogenase)将其再还原为3种肉桂醇。几种植物的CAD活性被抑制,木质素的总含量并未明显改变28,29 ,但CAD的底物:肉桂醛参与木质素的聚合,相应的肉桂醇减少29 。Halpin
19、等29报道在抑制CAD表达的转基因烟草中,醛醇比的变化大于S/G比值,表明CAD活性降低,抑制松柏醛还原相对强烈一些,因此推测CAD可能具有底物选择亲和性或者存在不同的CAD同工酶。但松树cad_n1突变体中,醛醇比与野生型没有明显差异30 ,表明不同植物的CAD催化活性不同。目前转基因研究表明CAD活性被强烈抑制,植物体仍可维持正常木质素水平。可能是抑制程度还不足亦或存在其他酶的补偿作用,其原因有待深入研究。3 ! 8 苯丙烷结构单元聚合成木质素大分子已证明为脱氢聚合。Takahama31 与Takahama和Oniki32首先用松柏醇与采自蘑菇真菌的漆酶在有氧的条件下生产出人工合成木质素。
20、以后又发现过氧化物酶(per-oxidase)也可有效地催化该聚合反应。几种可能参与木质素聚合的过氧化物同工酶已在百日草、马铃薯、8期 魏建华等:木质素生物合成途径及调控的研究进展 773 番茄、杨树及矮牵牛植物中分离33,34 ,然而其作用机理的许多细节仍有待研究。Ipelcl等33利用从豆科植物中克隆的过氧化物酶基因Shpx6a 反向转入杨树,使木质素含量降低10% 20%,表明过氧化物酶确实与木质素单体聚合有关。由于过氧化物酶在植物体中广泛存在,且多样性很高,如何参与木质素的单体聚合还需精细研究。迄今为止,尚不能确定究竟是过氧化物酶还是漆酶在植物体中催化木质素单体的聚合,或者二者共同作用
21、35 。4 ! 8o“植物体中参与木质素生物合成的酶存在多基因现象。杨树的COMT基因为多基因家族36 。烟草具两种不同COMT,底物亲和性与表达模式均不同,一种在木质化部位高水平表达;另一种受病源物感染强烈诱导37 。Heath等38在燕麦草中发现3种不同的COMT基因(LpOMT1 ,LpOMT2 ,LpOMT3),编码区同源性在75%以上,非编码区同源性仅为53%64%。LpOMT1 与LpOMT3 主要在根及成熟茎中表达;LpOMT2主要在芽中表达,且表达的诱导方式不同。苜蓿21 、杨树23等植物中CCoAOMT的编码基因为12个。Ye等12则报道百日草的CCoAOMT基因多达5 10
22、个。烟草具多个CCoAOMT的编码基因,Maury等19据抗体反应将其分为3种。Cramer等39在菜豆中发现3个PAL基因,PAL2与PAL3具有不同的5、3区域,PAL2受真菌激发子(fungalelicitor)诱导表达,而PAL3 不受其诱导,但二者均受机械损伤(wounding)诱导。PAL在拟南芥等多种植物中为多基因家族40 。火炬松、欧芹等含2个4CL基因成员41 ,烟草与大豆等植物为多基因家族42 。Hu等43在杨树中克隆了2个结构、功能均不同的4CL基因, Pt4CL1与Pt4CL2 ,蛋白同源性仅为63%。Pt4CL1 主要在木质化的茎中表达,对几种肉桂酸衍生物的底物亲和性
23、较高;Pt4CL2 在茎与叶的外周细胞中表达,对相同底物亲和性低,故认为Pt4CL1 参与木质素的合成,Pt4CL2 与类黄酮等物质的生物合成有关。次生代谢物的整个合成途径或其部分是由复杂的代谢分隔(metabolic compartment)组织起来的。通过分隔机制,中间底物可以非平衡地流入不同代谢途径。代谢分隔体现了单个酶活力或酶动力学特征的代谢调控44 。木质素单体合成途径中同一个酶的不同基因可能因代谢分隔而表达方式不同,特异性地参与不同产物或同一产物不同时期的生物合成。该现象的存在意味着图2的途径并不完整和精确,可能在某个酶的基因被抑制后,其他相关酶可对其进行补偿且产生特殊木质素单体。
24、它反映了木质素生物合成的可塑性,以维持整个植物体木质素的稳定。木质素具多种重要生物功能,决定了其合成酶基因表达方式与表达部位的多样性,因此使该领域研究更为艰难和复杂。揭示木质素单体合成途径的基本轮廓已30多年,然而其中许多细节至今尚未清楚,如木质素单体的完整合成途径、储存部位、如何被运输至细胞壁及如何聚合成木质素大分子等。5 ! e在玉米、松树等几种植物中发现了木质素含量与组分改变的突变体45,46 ,研究表明这是由于COMT或CAD失活造成的47 。突变体的发现为利用现代生物技术降低植物木质素含量提供了思路,即通过抑制植物木质素单体合成酶的内源基因,达到降低转基因植物木质素含量的目的。木质素
25、单体生物合成途径中多个酶的基因已相继从不同植物中克隆,为利用基因工程调控植物木质素的研究奠定了基础。表1总结了近年来转基因调节植物木质素合成研究的主要进展。最初发现COMT与CAD基因突变可引起木质素含量下降,因此COMT与CAD在利用基因工程调节植物木质素生物合成的研究中成为焦点48 。许多COMT相关研究均表明,抑制COMT表达的转基因植物中木质素组分发生改变49-51 ,S/G比值下降,并伴随5_羟基_G_木质素的出现50,51 ,但多数研究中木质素含量未降低。迄今为止,仅 Ni等52 与Jouanin等53分别在转基因烟草与杨树中使木质素含量明显降低。但前者无组分改变,亦无5_羟基愈创
26、木基木质素出现;后者S/G比值下降。以上研究结果并不一致, 产生差异的原因尚无明确解释。Atanassova等50 认为COMT活性被抑制达80%90%,才能对木质素的组分产生影响。Jouanin等53在COMT活性几乎被全部抑制(活性残留不足3%)的转基因杨树中才发现木质素含量降低。由此可见,转基因植物中COMT活性被抑制的程度影响木质素的含量与组分。不同的木质素检测方法可能也是原因之一。众多的检测方法中,尚无一种可较全面反映木质素的含量与组分,不同处理可能造成某些组分丢失51 。774 植 物 学 报 ActaBotanicaSinica 43卷V1 转基因调节植物木质素合成的研究Tabl
27、e1 Modificationof ligninin transgenic plantsTargetgene Species andtransgenic methodTransgenic effectsEnzymiceffect1) Lignincontent Lignin composition ReferenceTobacco antisense suppression 7% No effect Increased aldehyde 29Poplar antisense suppression 30% 50% No effect Increased aldehyde 28Poplar an
28、tisense suppression 30% No effect 64CAD Alfalfa antisense suppression No effect DecreasedS andS/G 54Tobacco antisense suppression No effect Increased aldehyde 59Tobacco antisense suppression 50% No effect Increased aldehyde 57Tobacco antisense suppression No effect 67C4H Tobacco antisense suppressio
29、n Decreased DecreasedS/G 4CCR Tobacco antisense suppression Decreased Decreased 59Tobacco antisense suppression 30% 40% Decreasedby two fold DecreasedG, increasedS/G 58Tobacco antisense suppressionSense suppression 5% No effect DecreasedS/G, with5_OH_G 50Poplar antisense suppression 5% No effect Dec
30、reasedS/G, with5_OH_G 51Tobacco antisense suppression 20% Decreasedby 15% 57% No effect 52COMT Tobacco antisense suppression 55% No effect DecreasedS/Gby20%, without5_OH_G 49Poplar antisense suppression No effect DecreasedS andS/G, with 5_OH_G 64Tobacco antisense suppression 30% No effect DecreasedS
31、 andS/G 14Poplar sense suppression No effect DecreasedS andS/G, with 5_OH_G 48Poplar sense suppression 3% Decreasedby 17% DecreasedS/G 53Tobacco antisense suppression 5% 30% Decreased 56PAL Tobacco antisense suppression Decreasedby 10% 80% 3Tobacco sense suppression Decreased IncreasedS/G 4Tobacco a
32、ntisense suppressionSense suppression Decreasedby 20% 30% 25,264CL Poplar antisense suppression 10% Decreasedby 45% No effect 27Arabidopsis antisense suppression 8% Decreasedby 50% DecreasedG 24Arabidopsis overexpression Increased No effect IncreasedS andnearly no G residue 5F5H Tobacco overexpressi
33、on Increased No effect IncreasedS 6Poplar overexpression Increased No effect IncreasedS 6Peroxidase Poplar antisense suppression 50% 70% Decreasedby 10% 20% 33Tobacco antisense suppression 8% 50% Decreasedby 37% 43% Decreased bothSandG, but IncreasedS/G 14CCoAOMT Poplar sense suppression Decreasedby
34、 12% IncreasedS/G by 11% 15Poplar antisense suppression Decreased More degradable 161)Enzymic effect:level of enzyme activity relative towild type (%).反义CAD 转基因烟草、苜蓿与杨树的木质素含量也未明显降低28,54,55 ,仅特殊组分松柏醛(coniferyl aldehyde)明显增加。Halpin等29在转基因烟草中使CAD活性降为野生型的7%,但木质素含量仍未降低。因此,许多学者认为在木质素生物合成中,CAD并非限速步骤,可能极低的内
35、源CAD活性就能满足植物体木质素合成的需要。然而,CAD被抑制的转基因杨树中,特殊的红色木质素容易被分离出来,制浆实验表明kappa值降低,说明抑制CAD虽然没有降低木质素的含量,但改变了木质素的组成结构,有利于脱木质素的制浆化学工艺28 。抑制PAL3,4,56 、C4H4与CCR58,59的转基因植物木质素下降伴随非正常生长,因而难以实际应用。抑制或增强F5H表达仅影响木质素的组分6 。Ipelcl等33通过抑制杨树的一种过氧化物酶的表达,使木质素含量下降10%20%33 ,是唯一抑制木质素单体聚合而降低木质素含量的报道。近年来,利用4CL与CCoAOMT基因调节植物木质素合成的研究获得了
36、令人满意的结果。Kajita等26获得4CL表达被抑制的转基因烟草,木质素含量下降19%35%,肉桂醛与S_组分减少,转基因烟草与野生型在形态上没有差别。Hu等27用反义RNA技术抑制黑杨4CL基因表达,活性下降90%以上的转基因株系中木质素含量下降达45%,且根、茎及叶生长增强,伴随纤维素含量增加15%。转基因黑杨纤维素与木质素的总含量与野生型相比保持不变,表明植物中木质素与纤维素的合成可相互补偿。8期 魏建华等:木质素生物合成途径及调控的研究进展 775 Zhong等14 获得反义CCoAOMT表达的转基因烟草,Klason木质素含量下降36%47%。G_木质素比_S木质素减少的幅度大,S
37、/G比值增加。Meyer-mans等15在抑制CCoAOMT表达的转基因杨树中发现木质素含量降低12%,S/G比值增加11%。Zhong等16将反义 CCoAOMT转入杨树,也发现木质素含量明显下降,且结构疏松利于脱木质素。6 5Z由于树木生长周期长,传统的作物改良方法不太适用。许多树木植物资源的获得仍来源于自然生长的森林。现代遗传工程的发展使人为地改良树木资源植物更为容易。利用现代生物技术调节植物木质素的生物合成不仅利于阐明木质素及其他苯丙酸途径衍生物合成的分子机理,而且在优良造纸原料与饲草的生产上具重要应用意义。在烟草、杨树等植物中,已成功地使木质素含量降低,组分改变,利于降低造纸成本和减
38、轻污染,但应用于实际生产仍存在许多问题需要解决。6.1 y 04几个在木质化部位特异性表达的启动子已被克隆,如 COMT、4CL 、CAD 与 PAL 基因的启动子60-63 。转基因抑制木质素合成的研究却极少使用此类启动子,可能这些启动子本身的表达效率不够高。Jouanin等53分别用桉树CAD启动子与CaMV双35S启动子构建的COMT表达载体转化杨树,共抑制结果中前者COMT活性仅有中度降低,后者出现COMT活性几乎全被抑制的株系。目前尚不能确定启动子的表达效率与抑制程度密切相关。但转基因植物的实际应用不仅要求降低木质素,而且要保持该植物原有的抗逆性,如抗病性、抗倒性等。显然,使用木质化
39、部位特异性表达的启动子,比使用组成型启动子更有利于保持植物的抗逆性。6.2 ! c FsMY$木质素单体以一系列连接键相连,不同类型的连接键在制浆造纸处理中断裂的难易程度不同 64 。木质素组成影响连接键类型,从而影响制浆造纸的脱木质素。裸子植物木质素主要是G_结构单元,具一个甲氧基基团,C_5位置可以与其他单体以比较稳定的C_C键连接;双子叶植物含有S_结构单元,具两个甲氧基集团,无游离的C_5(图1、2),比裸子植物缺少C_C连接,木质素比较疏松,造纸中相对容易去除65 。现认为裸子植物缺乏S木质素可能是由于缺乏F5H与双功能的OMT基因36 ,如将其导入,可能改变木质素的组分类型,利于制
40、浆造纸。被子植物具不同S/G比值,可通过转基因的方法增加S/G比值。另外,S_木质素中的甲氧基基团在造纸制浆中能转化为污染空气的硫醇类物质(mercaptanes)51 ,被子植物中以羟基(-OH)代替甲氧基(-OCH3),可提高木质素的可溶性,减少硫醇污染65 。Jouanin等53以COMT共抑制的转基因杨树进行制浆研究,结果由于木质素含量下降,出浆率增加约10%;但伴随S/G下降导致木质素结构致密,不易去除,纸浆kappa值升高,影响质量和后续漂白,二者效应相互抵消。因此,降低木质素含量需同时重视木质素的组分改变。木质素具重要生物学功能,降低木质素的含量虽利于资源植物的利用,但会给植物自
41、身生长带来不利影响,削弱植物对外界不良环境因素的抵抗能力。我们认为木质素的降低应在一定范围内比较适宜,同时兼顾木质素组分的改变则更符合实际生产的需要。6.3 CCoAOMT4CLVr X /o反义抑制 CCoAOMT 的转基因烟草14 与杨树15,16不仅木质素含量降低,伴随S/G比值增加,木质素结构更为疏松,易于去除。抑制4CL表达的烟草与杨树的木质素含量下降26 ,且转基因杨树的纤维素含量增加27 。目前尚未发现转基因植物出现非正常生长,而转基因效应均利于制浆造纸。因此,抑制植物内源CCoAOMT与4CL基因表达可有效地改良资源植物的造纸性能。利用基因工程抑制造纸树种的木质素生物合成,降低
42、木质素含量或改变其组分,生产低成本、污染少的适于制浆造纸的原料树种,在国际上已成为研究热点66 ,而我国尚属空白。制浆造纸是中国经济的重要支柱产业之一,也是环境污染和能源消耗的大户。据中国造纸年鉴(1999)统计,造纸工业列我国12个水污染行业首位。现我国解决造纸废水污染的措施主要是碱回收技术与污水处理,但大大增加制浆造纸成本。虽然我国纸产量居世界第三位,但人均消费只有24.7kg,与世界人均消费54.9 kg相比,差距很大。中国由于森林覆盖率低,木浆仅占14%,而发达国家在90%以上。我国主要利用禾草秸秆等草浆,纸质差、污染更加严重且难以治理。因此,大力发展木材制浆造纸,降低成本兼顾防治污染
43、是实现我国造纸工业可持续发展的关键。我们实验室开展了在分子水平调节木质素生物合成与源头治理造纸废水污染的研究,已从我国特有树种毛白杨中克隆776 植 物 学 报 ActaBotanicaSinica 43卷了COMT68 (AF237777)、CCoAOMT (AF240466)及4CL(AF314180 , public on Jan1 ,2002)基因的cDNA并在GenBank注册登记,构建了反义表达载体并建立了毛白杨组培转化系统69 。在表达反义CCoAOMT的转基因杂交杨中已筛选到木质素含量显著下降的株系,反义4CL转化正在进行中。利用反义RNA技术抑制植物木质素生物合成,必将生产出
44、符合我国国情,适于造纸的新型环保资源树种。此外,本实验室亦设想木质素生物合成的正向调节,有可能利于小麦、水稻等高产作物抗倒伏。这一新思路得到了科技部转基因专项的支持,探索性研究正在进行中。 ID: 1 Sederoff R R, Mackay JJ, Ralph J.Unexpected variationinlignin.CurrentOpinPlantBiol, 1999 , 2:145-152. 2 Rosler J, Krekel F, AmrheinN.Maize phenylalanine am-monia_lyase has tyrosine ammonia_lyase acti
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