生物合成木質(zhì)素的起源和進化

1、生物合成木質(zhì)素的起源和進化摘要木質(zhì)素是主要來源于松柏醇的酚醛樹脂的多聚體，普遍存在維管植物中。木質(zhì)素的生物合成的發(fā)展被認(rèn)為是使陸地植物在地球生態(tài)系統(tǒng)中繁榮關(guān)鍵因素之一。木質(zhì)素為維管植物提供結(jié)構(gòu)硬度使其能夠直立，提供傳導(dǎo)水的管狀細(xì)胞的細(xì)胞壁的強度，使其能夠承受因為蒸騰作用產(chǎn)生負(fù)面壓力。在這篇綜述中，我們討論了在陸地植物進化期間，關(guān)于木質(zhì)素生物合成的許多方面，包括其單體生物合成支架的建立、木質(zhì)素聚合體的潛在前體，還有聚合機制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出現(xiàn)

2、。這些關(guān)于這個主題的所積累的知識（如在這里總結(jié)的），為我們提供了關(guān)于這個復(fù)雜的代謝系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展的進化觀點。I介紹最早的明確的化石證據(jù)表明最早的陸地植物出現(xiàn)在45億年前的寒武奧陶紀(jì)時期。陸地植物實際開始占據(jù)陸地開始于數(shù)千萬年以前的晚期寒武紀(jì)的早期，考慮到分散的陸地植物的孢子外觀可以預(yù)測第一個陸地植物的大化石出現(xiàn)在5千萬年左右?？梢院侠淼南胂蟮胶Ｔ宓淖嫦龋ㄔ缙陉懙刂参铮┍徊粩嗟貨_到淡水中和海岸上，因此提供了達(dá)爾文進化選擇的早期的種群。在

3、到達(dá)或者接近陸地的環(huán)境中，這些早期陸地植物的先驅(qū)立刻會面臨幾個主要的挑戰(zhàn)，包括暴露在UVB輻射的破壞環(huán)境中，而以前都是有水保護他們的祖先，他們?nèi)鄙僖郧坝筛×μ峁┙Y(jié)構(gòu)上的支撐，干燥的環(huán)境，最后食草動物和病原體一起進化。為了應(yīng)對這些不利的條件，一系列被稱為二級代謝特殊的代謝途徑開始在早期陸地植物之間進化。在這些進化中類苯基丙烷的代謝途徑的進化可能是最關(guān)鍵的之一。苯丙氨酸的脫氨基和芳香族的氨基酸的羥化能力的獲得導(dǎo)致了對于簡單類苯基丙烷的積累的

4、能力在UVB(280–320nm)范圍內(nèi)有最大光吸收。這些新獲得的特點可以使早期植物尤其它們易受攻擊的的單一包子具有抵抗UV輻射的能力，這些使它們在陸地上生長成為可能。盡管類苯基丙烷的代謝途徑在早期陸地植物的出現(xiàn)，使它們更方便的移向陸地，然而由于缺少機械的加強，這些改變在它們體內(nèi)得到保留的很少。維管植物發(fā)展了儲存類苯基丙烷聚合高分子木質(zhì)素的能力，直到維管植物的數(shù)量上升，陸地植物才開始真正的繁榮并占據(jù)了地球生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。木質(zhì)素使早期

5、維管植物具有很強的硬度而直立起來，加強了水傳導(dǎo)細(xì)胞的水對長距離運輸，與姐妹種群苔蘚相比，他還能允許植物體積上顯著地擴張。木質(zhì)素之間的聯(lián)系的本身性和隨機性使其成為最難降解的生物聚合物之一，它對于與維管植物一起進化的病原體和食草動物的保護屏障。在植物中，木質(zhì)化的結(jié)果使類苯基丙烷的代謝機制轉(zhuǎn)化為主要的碳沉積的機制，木質(zhì)化僅通過纖維素有所減輕，導(dǎo)致現(xiàn)在預(yù)計表現(xiàn)出多達(dá)占整個生物圈的30%。通過產(chǎn)生木質(zhì)素的能力和其他因素使維管植物的豐度和密度的擴張

6、，這對陸地生態(tài)系統(tǒng)有深遠(yuǎn)的影響。通過光合作用，早期維管植物為幾乎所有的早期生命形式（包括節(jié)肢動物、真菌、微生物）提供凈初級生產(chǎn)量的發(fā)展。通過早期維管植物的根釋放的有機酸加強的的巖石的風(fēng)化作用和通過植物腐爛得到有機質(zhì)的積累大大的有益于地球上早期土壤的形成。在古生代的晚期，由于木質(zhì)素降解緩慢，大氣層的大量的碳被早期維管植物固定，這導(dǎo)致了大氣層中CO21.初級新陳代謝對于一個新的二級代謝酶的補充。木質(zhì)素沉積所需的酶的新的活性不能很容易的就出現(xiàn)

7、，但是可以通過達(dá)爾文進化論中的突變和選擇進行慢慢積累。在基因復(fù)制后，酶的新功能通常出現(xiàn)，這種觀點被廣泛接受。一個拷貝維持原來的功能，其他拷貝變得很少被約束，從而能夠得到進化。在很少情況下，這些新衍生的基因能夠為宿主提供某些選擇性優(yōu)勢，并在物種中固定下來?？梢酝茰y，類苯基丙烷代謝的原始形式利用編碼原始代謝的酶和（或）從水平基因轉(zhuǎn)移的共生生物中所獲得酶的進化的復(fù)制基因，出現(xiàn)于許多代謝路徑隨機組合。這看起來好像是能夠利用紫外保護的特性來產(chǎn)生某

8、種化合物，這種新活性的特定組合在早期陸生植物被篩選出來。經(jīng)過一系列的純化選擇之下，這種最初的組合轉(zhuǎn)變成獨特的代謝支架，這種獨特的代謝之間在現(xiàn)代陸生植物中被保藏下來和詳細(xì)說明。包括核心生物合成木質(zhì)素支架所需酶的的八種酶的檢測表明它們的祖先深深扎根于最初的代謝系統(tǒng)（表1，圖3）。苯丙氨酸裂解酶（PLA）在苯機丙酸合成代謝途徑的進入點能夠?qū)⒈奖彼崃呀鉃楸奖┧?，PLA于和組氨酸降解有關(guān)組氨酸裂解酶（HAL）同源。PLA和HAL存在相似的保守

9、結(jié)構(gòu)，PLA通過采取來源于保守的Ala–Gly–Ser三肽的親電子的4methylideneiazole5one反映了HAL。4肉桂酸羥化酶（CH4）和3莽草酸羥化酶（C3’H）是細(xì)胞色素P450單氧化酶（P450），它們能夠催化生物合成途徑中芳香族羥化反應(yīng)的前兩步。盡管CH4和C3’H偏離它們初級的的新陳代謝反應(yīng)例如固醇14脫甲基酶，在他們的底物識別為點，它們包含高度保守的繼序，這導(dǎo)致了結(jié)合亞鐵血紅素和一個一般的催化機制。4對羥基姜黃

10、素輔酶A連接酶(4CL)活化p香豆酸為激活的硫酯鍵形式pcoumaroyl輔酶A，如果被查爾酮合酶(CHS)催化，接著被引導(dǎo)入下游的生物合成或者類黃酮的生物合成。4CL同源于長鏈脂肪?；o酶A合成酶（在脂肪β氧化途徑中的第一個受約束的酶）。就像脂肪輔酶A合酶，4CL的催化機制包含一個甘氨酸媒介的形成。對羥基姜黃素輔酶A、莽草酸、對羥基姜黃素轉(zhuǎn)移酶利用莽草酸或者奎尼酸作為?；d體催化p香豆酸酯類的形成。這些特殊的p香豆酸酯類做為被C3’H

11、催化的類苯基丙烷甲基木精的底物。HCT屬于BAHD酰基轉(zhuǎn)移酶超家族，在植物中多種多樣，這表明包括大量的二級代謝產(chǎn)物。盡管低的序列特異性，但植物BAHD酶的合酶的結(jié)構(gòu)于初級代謝依賴于輔酶A的酰基轉(zhuǎn)移酶（例如肉毒堿?；D(zhuǎn)移酶）的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出全面的驚人的相似?？Х人彷o酶A在3羥基芳香族上利用S腺苷甲硫氨酸作為甲基供體來催化第一步轉(zhuǎn)甲基反應(yīng)。CCoAOMT與哺乳動物的苯臨二酚O甲基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)相同，包含一個a?β折疊，這形成了催化的二價陽離子和S