2024年10月，Plant Biotechnology Journal 在线发表了Modification of xylan in secondary walls alters cell wall biosynthesis and wood formation programs and improves saccharification的研究论文，文中提出了树木生长和次生壁生物合成的新途径，有利于林木遗传改良。
研究背景
次生壁具有特定的基质多糖组合，包括葡糖醛酸木聚糖（GX）和葡甘露聚糖，GX通过纤维素与木质素的相互作用影响树木的顽固性。文中研究了杨树过表达GH10，GH11（构巢曲霉的木聚糖内切酶基因）后影响了细胞壁生物合成和木质部细胞发育程序。另外，木聚糖酶的表达改变影响了形成层活性，但植株的生长也受到一定影响。
研究内容
作者通过统计35S启动子及WP特异性启动子过表达GH10，GH11植株发现其株高、直径、根生物量等指标发生明显变化；次生韧皮部增加，次生木质部产生减少，髓部面积增加（图1）。这表明木聚糖酶对形成层活动产生了重大影响，使其从衍生木质部转移到韧皮部生产。
此外，过表达GH10，GH11杨树的湿木质部区域显著增加，茎也更容易被切割；具有更高的木材密度或更高的纤维素微纤维角；细胞壁厚度显著减少（图2）。
（图1）
（图2）
转基因植株中葡聚糖含量没有明显变化，但基质糖、总木质素和愈创木酚含量却存在显著变化（图3）。此外，在大多数转基因品系中酚类物质的含量增加。
透射电镜观察显示，转基因植株中木质素在中间层和次生壁层中严重耗竭（图4），这表明木聚糖酶的表达对细胞壁中的木质素和木聚糖含量产生重大影响，改变了木材的化学组成和结构。这些变化可能影响木材的加工特性。
（图3）
（图4）
木聚糖酶过表达带来的改变包括木聚糖的溶解性增加、乙酰化程度改变、聚合程度降低等（图5）。转基因植株的葡萄糖产生率、葡萄糖产量和木糖产量在未处理时增加明显（图6），提高了木材的糖化潜力。除此之外，该植株中细胞分裂素、生长素、脱落酸和ACC等受到显著影响，而茉莉酸、水杨酸没有变化；细胞分裂素信号增强，生长素水平可能受到抑制（图7）。综上所述，木聚糖酶的表达影响了形成层活动、木质部分化和应激响应的激素，这些发现有助于理解木聚糖酶如何影响植物的生长发育和对环境变化的响应。转基因植株中氨基酸和糖类部分上调，例如木糖和木二糖；而部分代谢物减少，例如木质素等；这证实了木聚糖酶对植物代谢存在影响（图8）。
（图5）
（图6）
（图7）
（图8）
RNA-seq数据中体现出391个上调基因和239个下调基因。GO富集分析显示，与光合作用、叶绿素结合、能量产生和应激相关的基因上调；与脂质、蛋白质和氨基酸代谢、氧化还原酶活性和细胞壁生物合成相关的基因表达下调（图9）。转基因株系中变化的基因形成的共表达网络：主网络由信号传导和应激相关基因组成，包括许多激酶、钙信号成分、与激素相关的基因、高度互连的转录因子，包括上调的AtWRKY75、AtERF110/PtERF57和AtLBD21/PtLBD047，以及下调的AtLBD19/PtLBD043和多个AtNAC074同源物。细胞壁相关基因包括下调的PtGH9B11、PtGH9_18、PtGUX4A，以及上调的AtXTH28/PtXTH40等（图10）。共表达网络中的基因涉及信号传导、应激响应、激素调节和细胞壁合成等多个生物学过程，对于理解木聚糖酶如何影响木材形成和次生壁发育具有重要意义。
（图9）
（图10）
小结
文章通过过表达木聚糖酶GH10，GH11反映其对白杨生长、次生细胞壁特性和木材特性的影响。转基因带来的结构变化影响了树木生长、木材生产、次生壁发育和木质素生物合成途径。激素组学、代谢组学和转录组学的分析显示，木聚糖改变激活了激素信号传导并影响了形成层生长、次生壁生物合成过程，对于后续木材的遗传改良具有重要参考意义。
原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.14487
评论：王珺
校对：吴智浩
