XET/XTH功能及基因家族表达模式的研究进展
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摘要：作为糖苷水解酶的一个重要组成亚组，xet参与植物细胞许多生物学功能的实现。本文就其基本功能，以及XET/xth各成员在拟南芥不同器官生长发育各个阶段的表达情况进行综述。
中图分类号：S792.11 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-03-0065-3
木葡聚糖转葡糖苷酶XET，是糖苷水解酶GH16家族的亚族[1-3]。糖苷水解酶GH16家族具有未在高等植物中发现的硫酸角质素β-1,4糖苷键内切酶、葡聚糖1,3-β-d 糖苷键内切酶和琼胶酶等酶活性。XET/XTH中一系列内葡聚糖和吡喃半乳糖XET/XTH的酶活性具体表现为：①木葡聚糖转移酶的活性。②木葡聚糖β-1,4糖苷键内切酶活性[4]。XET/XTH家族在植物中进化，意味着XET/XTH基因家族在植物细胞壁形成以及植物生长、发育过程中具有特殊的意义[5]。
1 XET/XTH简介
1.1 XET/XTH结构简介
XET/XTH具有催化酶触反应的特征结构域DEIDFEFLG，并且在XET催化中心附近丝氨酸或苏氨酸具有典型的N糖基化修饰[6, 7]，将拟南芥AtXTH22的N糖基化修饰基团除去，酶活性降低98%，表明DEIDFEFLG中第一个谷氨酸残基在酶触反应中必不可少，同时证明DEIDFEFLG结构域是酶活性的关键[8]。此外，XET还具有分泌到质体外的信号肽。
1.2 XET/XTH在细胞壁扩张过程中的作用
植物细胞的伸长和扩张是一个高度协调的复杂过程。在细胞伸长过程中，细胞形态受由纤维素结晶、半纤维素和纤维素微纤丝等多聚物组成的细胞壁控制。细胞壁生化特性改变使膨压驱动细胞扩张。XET/XTH活性需要以基本的葡聚糖结构为前提如β-1,4糖苷键。一般认为在细胞壁的扩张过程中木葡聚糖的断裂和再生发挥着重要作用，木葡聚糖是基本多聚物的重要组成部分[9]，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。长久以来XET/XTH被认为是参与细胞壁松弛过程的一种重要的酶[10]。XET/XTH在细胞壁伸长和细胞体积膨大等过程中发挥的重要作用，体现在XET/XTH催化的两个过程：①内切木葡聚糖分子②将新产生的木葡聚糖分子交联到另一木葡聚糖分子的非还原端。有报道表明XET/XTH表达的空间分布与细胞伸长、非伸长区和细胞壁的二次生成有关，而且XET/XTH能调节插入细胞壁中的木葡聚糖长度，从而调节细胞的延展性[9]。
图1 细胞分化过程中细胞壁结构改变的四种方式，引自Kazuhiko Nishitani et.al.[11]
在细胞生长分化过程中，XET参与了细胞壁结构改变的四种方式[11]（图1）。XG 代表木葡聚糖分子，CM代表纤维素微纤丝分子。A和B过程显示细胞壁扩张：A过程单纯由水解酶水解承重木葡聚糖交联，B过程由转移酶介导细胞壁结构间交联。C和D过程显示细胞壁沉积：C过程由转移酶催化但未引起细胞壁扩张，木葡聚糖分子在已有的和新合成的细胞壁结构间交联导致细胞壁结构物质的增加，D过程由转移酶催化并引起细胞壁扩张，新合成细胞壁物质与原有胞壁成分交联导致细胞壁扩张。
2 拟南芥XET/XTH基因家族表达模式
XET/XTH由一个很大的基因家族编码。拟南芥XTH基因家族由33个成员组成[12]。编码序列分析和酶学分析表明不同的XTH成员结构相似但具不同属性[12-14]。不同成员组成的XTH基因家族，可能参与组织器官发育，具有器官、组织和细胞表达特异性或受环境等刺激的调控。故单一XTH基因家族成员或成员间的组合表达，具有时空特异性。有报道表明单一XTH成员突变能导致明显的发育改变[15]。在细胞壁构建过程定成员在特定部位发挥重要作用[16, 17]。利用RT-PCR和基因芯片数据库对XTH基因家族成员进行分析可以清晰得到XTH基因家族各成员在生长发育不同时期在不同的组织器官的表达情况[17-21]。
利用Genevestigator分析拟南芥XTH基因家族各成员在植株发育不同时期的表达情况[22]（图2）。整个生长发育过程中，在细胞分裂旺盛的阶段0、阶段1、阶段1b和阶段1c，XTH表达相应活跃，这与XTH功能相符。具体到各个成员，XTH4、XTH9、XTH22、XTH24和XTH27几乎在各个阶段都有较高的表达量，XTH2、XTH21在生长发育的各个阶段表达丰度均比较低。具体到各个阶段：在阶段0，XTH10表达丰度最低，XTH25表达丰度最高；阶段1，XTH2 表达丰度最低，XTH4表达丰度最高；阶段1b，XTH2表达丰度低，XTH24 表达丰度最高；阶段1c，XTH2表达丰度最低，XTH4 表达丰度最高；阶段1d，XTH21表达丰度最低，XTH9 表达丰度最高；阶段5，XTH21表达丰度最低，XTH24表达丰度最高；阶段6，XTH2表达丰度最低，XTH4表达丰度最高；阶段6b，XTH26表达丰度最低，XTH24表达丰度最高；阶段8，XTH21表达丰最度低，XTH25表达丰度最高。
利用Genevestigator分析拟南芥XTH基因家族各主要成员在植物各个组织器官中的分布情况[22]（图3）。XTH广泛分布在拟南芥各个组织器官中，大部分成员在根、侧根和根系伸长区均具有较高的表达量。具体到各个成员：XTH2仅在花粉中具有较高的表达丰度，在其他组织器官中表达丰度均低，推测XTH2可能具有花粉特性启动子。XTH29在雄蕊、花粉表达丰度较高，其他组织器官表达丰度较低，结合图2的结果推测XTH29可能具有花粉、雄蕊特性启动子，且在雄蕊、花粉形成过程中挥着重要的作用。XTH30在子房、茎尖表达丰度略低，在花粉、雄蕊花瓣中表达丰度高。XTH3在花序、花、雄蕊、茎表达丰度较高，其他组织器官表达丰度均较低，结合图2结果推测XTH3可能具有花特异性启动子。XTH11在茎叶中表达丰度低，在种子、角果、花序等器官中表达丰度高，结合图2结果推测XTH11可能具有种子特异性启动子。XTH25在花柄中表达丰度低，在种子中表达丰度高，据图2结果推测XTH25可能具有种子特异性启动子。XTH5在种子、胚根、幼苗、根等部位表达丰度较高，其他组织器官表达丰度较低。XTH20在胚根、幼苗、根等部位表达丰度较高，其他组织器官表达丰度均较低。XTH15在胚轴、胚根、幼苗、花序、花、心皮、种子、茎、茎节、根系表达丰度较高，其他组织器官表达丰度相似。XTH14在根系、种子、幼苗、胚根中表达丰度较高，其他组织器官表达丰度均较低，结合图2推测XTH14可能在幼苗根系生长过程中具有重要作用。XTH26在根系、幼苗中表达丰度较高，其他组织器官表达丰度低，XTH26与XTH14相似但表达高峰时间段更短。XTH17在幼苗、胚根、叶柄、根系表达丰度较高，其他组织器官表达丰度低表达情况与XTH14相似。XTH21在胚根、根系表达丰度较高，其他组织器官表达丰度均低，结合图2结果推测XTH21具有根特异性启动子。XTH31胚轴、侧根、伸长区表达丰度较高，种子、莲座、幼叶、成叶、叶柄表达丰度较高，其他组织器官表达丰度相差不大。XTH33在柱头、侧根、伸长区表达丰度较高，其他组织器官表达丰度较低。XTH23在愈伤组织、悬浮细胞、幼苗、子叶、胚轴、胚根、莲座、幼叶、成叶、根系表达丰度较高，其他组织器官表达丰度较低。XTH22 在子房、柱头、花粉中表达丰度低，其他组织器官表达丰度均较高。XTH1 在雄蕊、花粉、角果、侧根、伸长区表达丰度相对较高，其他组织器官表达丰度较低。XTH16在柱头、花粉、茎叶、老叶中表达丰度较低，其他组织器官表达丰度较高。XTH9仅在花粉中表达丰度低，其他组织器官表达丰度均较高。XTH28在花粉中表达丰度较低，其他组织器官表达丰度较高。XTH32在愈伤组织、柱头、花瓣、萼片、雄蕊、花粉、老叶中表达丰度较低，其他组织器官表达丰度较高。XTH4在柱头、老叶中表达丰度较低，其他组织器官表达丰度较高。XTH7在愈伤组织、柱头、花柄、老叶、伸长区表达丰度较低，其他组织器官表达丰度较高。XTH8在柱头、老叶表达丰度低，其他组织器官表达丰度均较高。XTH27 仅在花粉中表达丰度低，其他组织器官表达丰度均较高。XTH24仅在花粉中表达丰度低，其他组织器官表达丰度均较高。XTH10 在萼片、老叶中表达丰度较高，其他组织器官表达丰度均较低。XTH6在愈伤组织、胚根、花粉、种子、老叶、侧根、伸长区表达丰度低，其他组织器官表达丰度较高。
自上世纪70年代以来，对XET/XTH基因家族的研究有了长足的发展，研究物种涵盖拟南芥、水稻、苹果、奇异果、杨树、苔藓等诸多物种，且从单个或几个基因的分析到整个基因家族、蛋白质家族的分析[23-26]。如火如荼的研究预示着XET/XTH具有广阔的研究前景和广泛的应用范围，如何利用XET调控细胞增值、分裂、体积扩张，基因家族间各个成员的互做，以及调控基因表达的激素信号、信号转导等，成为更具挑战性的研究课题。
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作者简介：杨亮（1985-），男，黑龙江人，北京林业大学硕士研究生，研究方向：植物分子生物学。