摘要
【目的】 木栓质是一种聚酯型生物聚合物，特异性沉积在植物的内皮层、周皮、种皮和伤口外表皮等组织中。作为植物与环境之间的屏障，木栓质通过控制水和溶质运输保护植物免受环境胁迫和病原侵袭。文章论述了木栓质生物合成的关键酶和转录因子，探讨了环境因子对木栓质合成和沉积的影响，并展望了未来研究方向。【评论】木栓质的调控涉及多种因素，包括关键酶[如β-酮脂酰-CoA合成酶(KCS)、脂肪酰基还原酶(FAR)、细胞色素P450酶(CYP家族)等]和转录因子(如MYB、NAC、WRKY等)，环境因子也通过复杂的信号转导途径调控木栓质的生物合成与沉积。【展望】未来研究应聚焦木栓质生物合成的关键调控节点，尤其是在作物中探究影响木栓质物种差异性沉积的因素，并借助多组学等方法解析其运输、组装及后转录调控机制，有望为作物高养分利用和抗逆性遗传改良提供新策略。
Abstract
[Objective] Suberin is a polyester type biopolymer that specifically deposits in tissues such as the endodermis, periderm, seed coat, and wound epidermis of plants. Acting as a barrier between the plants and their environment, suberin controls the transport of water and solutes, protecting plants from environmental stresses and pathogenic invasion. This article reviews the key enzymes and transcription factors involved in suberin biosynthesis, and discusses the impact of environmental factors on suberin synthesis and deposition. The future research direction was prospected. [Reviews] The regulation of suberin involves various factors, including key enzymes such as β-ketoacyl-CoA synthase (KCS), fatty acyl reductase (FAR), cytochrome P450 enzymes (CYP family), and transcription factors such as MYB, NAC, WRKY. Environmental factors also regulate the biosynthesis and deposition of suberin through complex signal transduction pathways. [Prospect] Future research should focus on the key regulatory nodes of suberin biosynthesis, particularly exploring the factors that influence species-specific deposition of suberin in crops. By leveraging multi-omics approaches to elucidate its transport, assembly, and post-transcriptional regulation mechanisms, there is potential to provide new strategies for enhancing nutrient use efficiency and stress resistance in crop genetic improvement.
Keywords
木栓质（suberin）是一种由聚芳香族结构域[poly（phenolic）domain，SPPD]和聚脂肪族结构域[poly（aliphatic）domain，SPAD]组成的亲脂性酚醛生物聚酯[1]。SPPD主要成分是羟基肉桂酸，包括对羟基肉桂酸、阿魏酸和香豆酸等；而SPAD主要由甘油和C16-C24的脂肪族单体组成，如伯醇、未被取代的脂肪酸、ω-羟基脂肪酸、α，ω-双羧基酸等[2]。这些单体在内质网上经氧化还原反应形成，通过酰基转移作用形成聚酯，并沉积于细胞壁内表面[3]。
木栓质主要分布于植物的边界组织，如根的内皮层、外皮层、表皮和块茎周皮、种皮等，最广为人知的是马铃薯（Solanum tuberosum）块茎和栓皮栎（Quercus suber）的周皮[3]。木栓质的沉积在不同植物、组织和生长阶段有明显差异。例如，拟南芥（Arabidopsis thaliana）根内皮层木栓质以SPAD为主，而禾本科作物如水稻（Oryza sativa）和大麦（Hordeum vulgare）的SPPD含量较高；种皮和根的内外皮层的木栓质含量差异较大，根的初生发育阶段木栓质主要沉积在内皮层，而次生发育阶段沉积在周皮[3-5]。
木栓质作为植物体内的疏水性屏障，控制物质运输，调节生长发育，并防止水分流失和病原体感染[6]。木栓质在内、外皮层沉积形成的片层状的结构称为木栓质片层，简称木栓层[7]。木栓质具有应激诱导性，植物能通过改变其组分和沉积来适应环境变化，从而抵御生物和非生物胁迫[3]。植物激素如乙烯和脱落酸在木栓质生物合成中起特定的调控作用[8]。木栓质沉积的激素依赖性是根系发育和抗逆的关键。
环境因子对生态和农业系统的健康至关重要。植物通过调整根系构型来感知土壤压力，而木栓质在不同环境下均具有可塑性，以适应干旱和盐胁迫等不利条件。木栓质的可塑性和保护功能不仅能减少根部水分外渗，还能阻止有毒溶质渗透到地上部。因此，研究植物在环境胁迫下木栓质的响应至关重要。本文综述了木栓质生物合成的关键酶和转录因子，并对不同环境条件下木栓质沉积的可塑性和保护功能进行了阐述；同时，针对今后木栓质研究的方向进行了初步探讨，旨在为植物抗逆性研究和作物遗传改良提供新的思路。
1 木栓质单体生物合成
木栓质前体在多种酶的作用下生成SPPD芳香族单体和SPAD脂肪族单体，这些单体经氧化还原反应形成聚酯被转运至特定位置沉积，形成屏障并发挥作用。在木栓质生物合成过程中涉及多种酶，包括脂肪酸延长酶复合体（FAE）中的β-酮脂酰-CoA合成酶（KCS）、脂肪酰基还原酶（FAR）、细胞色素P450酶（CYP家族）、羟基肉桂CoA转移酶（ASFT/HHT）、阿魏酰转移酶（FHT）、长链酰基CoA合成酶（LACSs）、甾醇葡糖基转移酶（CTB2）、甘油3-磷酸酰基转移酶（GPATs）、脂质转移蛋白（LTPs）等，如图1所示。
1.1 SPPD型单体
木栓质生物合成中，酚类单体合成类似于木质素前体的合成，涉及苯丙烷代谢途径中的多种酶，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羟化酶（C4H）、4-香豆酸CoA连接酶（4CL）、羟基肉桂酰CoA转移酶（HCT/THT）、4-香豆酰莽草酸/喹啉3′-羟化酶（C3′H）、咖啡酰CoA-O-甲基转移酶（CCoAOMT）、咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）、阿魏酸-5-羟化酶（F5H）、肉桂酰CoA还原酶（CCR）和肉桂醇脱氢酶（CAD）等。木栓质组装和沉积还涉及PRX、PER64、TPX1等过氧化物酶、RBOHF氧化酶和结构域蛋白ESB1[9]。芳香族单体的初始前体是苯基丙氨酸，其形成涉及肉桂酸和香豆酸等多个中间产物，最终产物为木质素[9]。凯氏带中是否存在木栓质仍存在争议[10]。
1.2 SPAD型单体
SPAD型木栓质单体的初始前体是C16-C18脂肪酸，如棕榈酸（C16∶0）、硬脂酸（C18∶0）和油酸（C18∶1），它们在细胞质中合成后运输到内质网[11]。随后，脂肪酸延长酶复合体（FAE）参与碳链伸长，拟南芥的KCS1和FAE1在蜡质和木栓质的超长链脂肪酸（VLCFAs）合成中发挥关键作用[12]。KCS将C2亚基冷凝成酰基CoA就是VLCFAs生物合成的第一步。拟南芥的KCS2/DAISY参与根中脂肪族木栓质的合成，其突变体在VLCFAs合成方面存在缺陷[13]。
ω-羟基脂肪酸和α，ω-双羧基酸是SPAD中的关键单体，由脂肪酸在细胞色素P450酶作用下羟基化形成。拟南芥中CYP86亚家族中的CYP86A1负责链长＜C20的脂肪酸前体在ω位点的羟基化[14]。CYP86B1和CYP86B2则作为VLCFAs羟化酶，是木栓质中超长链饱和α，ω-双羧基酸单体的生物合成所必需的氧化酶[15]。CYP94亚家族也参与此过程，如印度红树（Avicennia officinalis）中的AoCYP94B1和AoCYP94B3调节木栓质单体C16-ω-羟基酸、C16-α，ω-双羧基酸的合成[16-17]。
脂肪醇也是木栓质SPAD的重要单体，由脂肪酰基CoA还原酶（FAR）将脂肪酸还原而成。拟南芥中的FARs家族包含8个成员，其中FAR5、FAR1和FAR4位于根内皮层细胞，分别负责C18∶0、C20∶0和C22∶0伯醇的合成[18]。
脂肪酸代谢中长链酰基-CoA合成酶（LACSs）将脂肪酸转化为脂肪酸酰基CoA硫酯。LACS基因在拟南芥的根、茎、叶、花、萌发和幼苗等多个器官中表达，其中AtLACS2、AtLACS3和AtLACS9在根内皮层细胞中高度表达，可能参与木栓质脂质单体的合成，但AtLACS3和AtLACS9在木栓质生物合成中的具体作用尚未明确[19]。
1.3 酰基链和甘油合成
BAHD型酰基转移酶参与SPAD和SPPD化合物的酯化，将羟基肉桂酸与ω-羟基脂肪酸或ω-醇连接，形成木栓质前体[20]。该家族中，脂肪醇羟基肉桂酰转移酶（FHT）也参与此过程，过表达毛果杨（Populus trichocarpa）PtFHT1的植株种子和根木栓质含量均显著增加[21]。
图1木栓质生物合成通路图
Fig.1Schematic diagram of suberin biosynthetic pathways
SPPD.聚芳香族结构域。SPPD单体合成所涉及酶：PAL.苯丙氨酸解氨酶；C4H.肉桂酸-4-羟化酶；4CL.4-香豆酸CoA连接酶；HCT.羟基肉桂酰CoA转移酶；C3′H.4-香豆酰莽草酸/喹啉3′-羟化酶；CCoAOMT.咖啡酰CoA-O-甲基转移酶；CCR.肉桂酰CoA还原酶；CAD.肉桂醇脱氢酶；F5H.阿魏酸-5-羟化酶；COMT.咖啡酸-O-甲基转移酶。
SPAD.聚脂肪族结构域。SPAD单体合成涉及酶：KCS.β-酮脂酰-CoA合成酶；FAR1、FAR4、FAR5.脂肪酰基还原酶（FAR）；CYP86A1、CYP94、CYP86B1.细胞色素P450酶（CYP家族）；LACSs.长链酰基CoA合成酶；GPATs.3-磷酸甘油酰基转移酶；BAHD.BAHD型酰基转移酶。
单体运输涉及酶：ABCGs.ATP结合盒转运蛋白G亚族；LTPs.脂质转移蛋白。
SPPD. Poly (phenolic) domain. Enzymes involved in SPPD monomer synthesis: PAL, phenylalanine ammonia-lyase. C4H, cinnamate-4-hydroxylase.4CL, 4-coumarate-CoA ligase. HCT, hydroxylcinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxylcinnamoyl transferase. C3′H, 4-coumaroyl shikimate3′-hydroxylase. CCoAOMT, caffeoyl-CoA-O-methyltransferase. CCR, cinnamoyl-CoA reductase. CAD, cinnamoyl alcohol dehydrogenase. F5H, ferulate5-hydroxylase. COMT, caffeic acid O-methyltransferase.
SPAD. Poly (aliphatic) domain. Enzymes involved in SPAD monomer synthesis: KCS, β-ketoacyl-CoA synthase. FAR1, FAR4, FAR5, fatty acyl reductase (FAR) . CYP86A1, CYP94, CYP86B1, cytochrome P450 monooxygenases (CYP family) . LACSs, long-chain acyl-CoA synthetase. GPATs, glycerol 3-phosphate acyltransferase. BAHD, BAHD acyltransferase family.
Monomer transport involves enzymes: ABCGs, ATP-binding cassette. LTPs, lipid transfer protein.
3-磷酸甘油酰基转移酶（GPATs）家族介导甘油和长链脂肪族单体的酯化。拟南芥gpat5突变体幼根中脂肪族木栓质减少了50%，超长链（C20-C24）木栓质单体含量大幅减少，表明GPAT5参与根和种皮木栓质的酯化[22]。
1.4 单体运输
以上木栓质前体合成后由不同的ATP结合盒转运蛋白G亚族（ABCGs）进行跨膜转运。其中ABCG1、ABCG2、ABCG6和ABCG20参与根系木栓质形成，其突变体表现出缺乏木栓质的性状[23]。
脂质转移蛋白（LTPs）可能是木栓质单体向胞外输出的一种补充机制，质膜外的LTP可能促进疏水VLCFAs或其衍生物从细胞质输出[24]。LTPs参与植物对盐胁迫的响应，与ABA相互作用参与盐胁迫下豌豆根内皮层木栓质的沉积[25]。AtLTP1-4在拟南芥冠瘿瘤中表达，其突变体改变了冠瘿瘤外皮的木栓质组成，表明AtLTP1-4参与木栓质的沉积[26]，但LTP在木栓质前体输出中的直接作用仍待充分证明。
1.5 其他
UDP-葡萄糖——甾醇葡糖基转移酶（UGT）也参与木栓质合成，拟南芥ugt80B1突变体种子中脂肪族木栓质和类角质聚合物急剧减少[27]。玉米（Zea mays）中的ZmPAO是一种受发育调控的黄蛋白酶，转基因烟草（Nicotiana tabacum）中异位表达增强了伤口周围的木栓化[28]。
2 木栓质的转录调控
2.1 MYB转录因子
MYB家族是植物中最大的转录因子家族，根据MYB结构域中相邻的重复序列可分为MYB1R、R2R3型和MYB3R 3个亚家族。大多数成员为R2R3型，其控制植物部分的次生代谢过程及细胞特性和命运[29]。研究发现，许多R2R3型MYB转录因子在木栓质调控中起关键作用，如表1所示。
2.1.1 正调控因子
转录因子MYB36正调控凯氏带合成基因CASP1、PER64和ESB1的表达，对根内皮层凯氏带形成至关重要，拟南芥myb36突变体根内皮层无法正确形成凯氏带结构及其屏障功能[30]。MYB36还参与木栓质的沉积，它与上游GRAS转录因子SHORT-ROOT（SHR）互作特异性地诱导根内皮层木栓化，这一调控网络涉及多个MYB转录因子[31]。SHR通过提高根系ABA水平促进木栓化以响应胁迫，也可通过ABA非依赖途径诱导木栓化过程[32]。
MYB39（suberman，SUB）是SHR/MYB36通路和ABA触发反应的共同下游枢纽，它直接激活FAR5表达，控制根木栓层的形成。MYB39在烟草叶片中瞬时表达导致异源木栓质基因被诱导，木栓质单体积累，进而形成异位木栓层[33]。MYB39在根内皮层的特异性过表达显著增强了根系内皮层木栓化程度[32]。此外，MYB39还影响苯丙烷、木质素等转录网络，对根系吸收能力有实质性影响。
MYB41是木栓化正调控转录因子，在拟南芥和烟草中过表达MYB41导致叶表皮形成异位木栓层[34]。根内皮层特异过表达MYB41增加了根系木栓化，使木栓质在靠近根尖区域沉积[35]。由于功能冗余，myb41突变体根系中木栓质并未完全消失[34-35]。
近几年发现，越来越多的MYB家族成员参与根系木栓化调控。MYB107和MYB9在种皮中诱导脂肪族和芳香族木栓质单体的生物合成、运输以及聚合。其突变体种子中木栓质单体显著减少[36]。MYB53、MYB92、MYB93与MYB41同源性较高，其中MYB92是脂肪酸生物合成途径的一个激活因子，在烟草中过表达可诱导脂肪酸生物合成基因并增加木栓质单体含量[37]。对MYB53、MYB92、MYB93进行的功能验证发现它们拥有与MYB41相似的功能，其在内皮层特异过表达均能促进木栓质的生物合成。四突变体myb41-myb53-myb92-myb93显示出木栓化强烈抑制的表型，但仍没有完全抑制木栓化，可见木栓化的转录调控是一个十分复杂的过程[35]。此外，AtMYB68、AtMYB74和AtMYB84直接结合下游功能基因的启动子，在SHR介导的木栓化调控网络中发挥关键作用，并作为ABA信号转导和内皮层分化的相互作用枢纽[31]。
除了拟南芥，其他物种中也发现了调控木栓化的MYB转录因子。例如，猕猴桃（Actinidia chinensis）中的AchnABF2、AchnMYB4、AchnMYB41和AchnMYB107与AchnFHT相互作用，AchnFHT通过抑制AchnMYB4和促进AchnABF2、AchnMYB41和AchnMYB107的表达来协调木栓质单体的生物合成。外源ABA的添加可以进一步促进这些基因的表达，促进木栓质单体的合成，但也抑制了AchnMYB4的表达[38]。甘蔗（Saccharum ofcinarum）中ShMYB78诱导木栓质相关基因的表达，是木栓质生物合成和沉积的激活因子，在烟草叶片中瞬时表达ShMYB78诱导了木栓质的异位沉积[39]。
苹果（Malus domestica）中鉴定的MdMYB68与许多已知的关键木栓质生物合成基因共表达，其过表达能够触发整个木栓质生物合成通路的表达[40]。此外，黄褐色苹果皮中MdMYB93影响木栓质的单体前体的合成、运输、聚合和最终沉积[41]。另一个转录因子MdMYB52在烟草中表达，导致苯丙烷、木质素、木栓质生物合成、细胞壁修饰和衰老相关的基因表达增加，表明MdMYB52在木栓质生物合成中起关键的调控作用[42]。梨（Pyrus pyrifolia）果实中的PpyMYB144通过调控木栓质含量来控制梨果皮赤褐色表型，农杆菌介导的PpyMYB144在梨果实中的瞬时表达诱导了脂肪族木栓质的沉积[43]。
StMYB102和StMYB74对各种非生物和生物刺激具有转录反应，在马铃薯块茎的伤口处作为重要的调节因子影响伤口愈合和木栓质沉积。研究表明，虽然StMYB74本身并不是木栓质生物合成的直接调控因子，但是在木栓质生物合成的分级转录级联中发挥作用[44]。二穗短柄草（Brachypodium distachyon）中克隆的BdMYB92在根内大量表达且受胁迫所诱导，与木栓质合成基因BdFAR4启动子相互作用，直接调控BdFAR4的转录，推测也与其他木栓质生物合成基因起相互调控的作用[45]。拟南芥AtMYB68的同源蛋白QsMYB1在栓皮栎木栓化的周皮中高度表达，其序列中含有与苯丙烷途径相关的顺式作用元件，可能参与调控木栓化过程[46]。葡萄（Vitis vinifera）中与AtMYB41同源的基因VviMYB41和VviMYB41-like在缺水条件下也促进了木栓质单体的生物合成和沉积[47]。
2.1.2 负调控因子
MYB6、MYB122和MYB70是木栓化的负调控因子。MYB6抑制了MYB52和MYB93这2种木栓化正调控因子，MYB122则是抑制了MYB9和MYB39，二者过表达表现内皮层木栓化轻微延迟和减少，并且2个MYB调控因子可能参与了木质素和木栓质之间的平衡[31]。MYB70负调控过氧化物酶编码基因和木栓质生物合成相关基因的表达调节根系发育，减少木栓质的沉积，影响养分吸收[48]。
在猕猴桃中，AchnMYB4作为木栓化的负调控因子，受外源ABA抑制，通过直接结合木栓质的生物合成基因如AchnCYP86A1和AchnFAR的启动子抑制它们的转录，从而减少木栓质的积累[38]。
2.2 NAC转录因子
NAC是植物特异性转录因子家族之一，广泛存在于陆地植物中，调节植物的生长发育、激素信号传导、叶片衰老、器官发育和环境响应等过程[49]。NAC转录因子也参与木栓质的沉积（表1）。其中拟南芥的ANAC046主要表达于根内外皮层，受叶片损伤诱导，其过表达导致根和叶中木栓质生物合成基因的表达增加，进而引起脂肪酸含量的升高，尤其是C24和C26的极长链脂肪酸（VLCFA）以及甾醇含量的显著升高，根木栓化程度增加，因此NAC046可能在木栓质的生物合成和沉积中发挥作用[49]。ANAC058参与调节拟南芥幼根中内皮层木栓质的沉积，其敲除和敲弱的突变体均表现出幼根及成熟根根尖木栓质沉积的延迟，而过表达则导致异位木栓质沉积。然而，突变体的整个根系统中木栓质的总量并未受到影响，所以ANAC058是否直接调节木栓质相关基因还尚不清楚[50]。苹果皮中的MdNAC74和MdNAC142能够激活参与木栓质生物合成基因的启动子，分别通过与FAR3和KSC2互作诱导木栓质的产生，并激活脂肪醇合成酶和脂肪酸延伸酶的转录[51]。在黄麻（Corchorus capsularis）中的CcNAC1通过调控KCS基因影响角质和木栓质的合成，在干旱胁迫下大量表达，过表达CcNAC1不仅加速了黄麻的生长和开花，还提高了耐旱性[52]。水稻中OsNAC2可直接促进OsNCED3的表达，通过增加ABA的含量间接地影响木栓质的合成[53]。
马铃薯中的StNAC103是第一个被确定的负调控木栓质和蜡质沉积的调控因子，能抑制脂肪族和烷烃单体的合成。StNAC103在块茎周皮诱导表达，沉默该基因后木栓质和蜡质生物合成和运输相关的关键基因上调[54]。此外，苹果皮中MdNAC139和MdNAC58能与MdNAC74和MdNAC142形成异源二聚体并抑制MdNAC74和MdNAC142的功能，是木栓化的负调控因子[51]。
2.3 WRKY转录因子
WRKY转录因子也在木栓质沉积中发挥作用（表1）。马铃薯中StWRKY1与羟基肉桂酸酰胺（HCAA）生物合成基因启动子直接结合，影响木栓质的沉积[55]。WRKY9通过调节细胞色素P450基因CYP94B3和CYP86B1的表达，WRKY33也是调节CYP94B1的因子，影响拟南芥木栓质沉积。atwrky9突变体表现为抑制AtCYP94B3和AtCYP86B1的表达，木栓质积累减少[17]。wrky33突变体表现出木栓质合成减少[16]。
表1植物中木栓质生物合成相关转录因子
Table1Transcription factors related to suberin biosynthesis in plants
续表1 Continued table 1
3 木栓质对环境的响应
木栓质的沉积受多种环境因子调控，植物通过调节木栓质生物合成和降解以适应环境变化。
3.1 干旱胁迫
不同耐旱程度的植物其木栓质的含量不同。相比于中生植物，旱生植物如四合木（Tetraena mongolica）和霸王（Zygophyllum xanthoxylum）中有更多木栓质单体的形成[57]，老芒麦（Elymus sibiricus）抗旱种质要比干旱敏感种质具有更高的木栓质单体含量[58]。由于与发育进程密切相关，木栓化程度会随着根龄增加而增加，老根部位的木栓化更完整，而干旱缺水会诱导幼嫩根组织提前木栓化[59]。大麦的根在渗透胁迫下木栓层增厚，并使质外体途径运输的阻力增大[60]。长期干旱也会增加拟南芥根木栓质的含量，但不会改变其明暗相间的片层结构[61]。
木栓质的沉积影响水分利用效率和蒸腾速率，在植物耐旱性中发挥重要作用。拟南芥esb1（木栓质增强型1）突变体比野生型具有更高的水分利用效率和更低的蒸腾速率，这与木栓质沉积增加和根中异位木质化有关[62]。cyp86a1突变体、cyp86a1-1、cyp86b1-1双突变体、abcg2-1、abcg6-1、abcg20-1三重突变体中木栓质都大量减少，导致根系对水的渗透性增强，水分流失增加[61，63]。在番茄（Solanum lycopersicum）中木栓质主要存在于外皮层，而ASFT和MYB92调节缺水条件下木栓质合成，其基因敲除导致木栓质含量几乎消失，揭示了番茄外皮层木栓质在其应对干旱环境中的重要性[64]。此外，相比于干旱敏感种质，耐旱老芒麦种质的凯氏带和木栓层形成更早，这能帮助其抵御干旱胁迫下水和矿质营养的流失，提高抗旱性[58]。大量与木栓质及脂肪酸生物合成相关的基因在旱生植物中表达[57]。濒危物种疏花水柏枝（Myricaria laxiflora）具有由内皮层、增厚的木质化细胞壁、木栓质、角质层和通气组织组成的质外体屏障，可以更好地应对干旱等极端生存环境[65]。总体而言，多种旱生植物都拥有类似的增厚的木栓化细胞壁，这对于它们在干旱环境下保持生长和发育至关重要[66]。
3.2 涝胁迫