李 莉 趙米賢 王建華 劉三震 王國英 SCHNABLE S.Patrick

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/種子科學(xué)與技術(shù)研究中心/北京市作物遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.美國堪薩斯州立大學(xué) 植物病理學(xué)院,美國 曼哈頓 66506;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所,北京 100193;4.美國愛荷華州立大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,美國 埃姆斯 50011)

植物表皮角質(zhì)層是所有陸生植物與空氣接觸部位的一層疏水性屏障,可以控制水在表皮細(xì)胞外的細(xì)胞壁與大氣之間的流動(dòng)[1]。角質(zhì)層由表皮細(xì)胞產(chǎn)生的角質(zhì)和表皮蠟質(zhì)所組成[2]。植物表皮蠟質(zhì)呈灰白色、霜狀,能有效減少非氣孔性失水效率,從而提高植株的耐旱性,其突變體表現(xiàn)為表皮蠟質(zhì)缺失,噴水后,葉片表面容易掛水珠,同等種植條件下表皮蠟質(zhì)覆蓋較多的材料與蠟質(zhì)缺失突變體相比,非氣孔性失水較少,耐旱性較強(qiáng)[3];植物表皮的角質(zhì)是由ω端中鏈羥基、C16和C18脂肪酸和甘油組成的核心聚合物。植物角質(zhì)層蠟質(zhì)又可分為內(nèi)表皮和外表皮蠟質(zhì),內(nèi)表皮蠟質(zhì)通常在角質(zhì)層形成過程中填充在其致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi),而外表皮蠟質(zhì)堆積在角質(zhì)層最外層并且組裝成各種形態(tài)(桿、柱、管、絲、片和顆粒狀等)的蠟質(zhì)晶體[2-3]。表皮蠟質(zhì)是由超長鏈脂肪酸及其衍生物、三萜類化合物和一些次生代謝產(chǎn)物(例如,甾醇和類黃酮)共同組成的復(fù)雜混合物[4]。大多數(shù)蠟質(zhì)組分為醛、烷烴、次級(jí)醇和酮,是在烷烴形成途徑中合成的;少數(shù)由?；€原途徑形成,擬南芥(ArabidopsisthalianaL.)中酰基還原途徑產(chǎn)生的蠟質(zhì)占總蠟質(zhì)質(zhì)量的10%～15%[5]。蠟質(zhì)的成分和含量可以根據(jù)物種、個(gè)體發(fā)育和環(huán)境的變化而變化[6]。表皮蠟質(zhì)除了在控制水分散失方面發(fā)揮著重要作用,還具有提高耐旱性、減弱紫外光傷害、維持植物表面清潔、抵抗細(xì)菌和真菌病原體傷害等功能[7-8],已有研究表明蠟質(zhì)在植物抵御昆蟲的相互作用中也扮演著重要角色[9]。

玉米苗期耐旱能力較好,其葉片表面角質(zhì)層蠟質(zhì)較豐富。而通常隨著幼苗的發(fā)育,葉片表皮毛細(xì)胞逐漸伸長,毛狀體的表皮毛細(xì)胞逐漸在植物發(fā)育成熟后,對(duì)葉片水分保持起到重要的作用[10]。而玉米植株從蠟質(zhì)依賴型的幼苗期向成株期轉(zhuǎn)換過程中,Glossy15起到了重要的作用[11]。除此之外,大量研究報(bào)道植物表皮蠟質(zhì)不僅具有保水防止植株體內(nèi)水分散失的功能,表皮蠟質(zhì)作為一種重要的脂溶性次生代謝產(chǎn)物,對(duì)玉米苗期抵御病蟲害、低溫脅迫及紫外線防護(hù)方面有著重要的作用[7]。因此,研究植物表皮蠟質(zhì)對(duì)植物抵御逆境為害具有重要的意義。

植物表皮蠟質(zhì)的合成與運(yùn)輸過程十分復(fù)雜,參與這一過程的基因也有很多[5,12]。目前,對(duì)具體基因在細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)以及生理生化水平的綜合分析鮮見報(bào)道。本研究通過整理1974—2022年玉米及擬南芥中蠟質(zhì)合成和運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)文獻(xiàn),綜合分析了植物表皮蠟質(zhì)生物合成和運(yùn)輸?shù)倪^程及調(diào)控機(jī)制,旨在闡明植物蠟質(zhì)合成、轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò),以期為作物抗旱育種提供參考。

1 文獻(xiàn)來源

依據(jù)PubMed,Web of Science和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫,以“表皮蠟質(zhì)”(“Epicuticular wax”)及“植物”(“Plant”)為關(guān)鍵詞檢索到1974—2022年中、英文相關(guān)文文獻(xiàn)報(bào)道125篇。

2 植物蠟質(zhì)合成途徑與機(jī)制

基于目前對(duì)擬南芥(ArabidopsisthalianaL.)、玉米(ZeamaysL.)、水稻(OryzasativaL.)蠟質(zhì)合成的研究(表1、表2和表3),蠟質(zhì)合成的基本途徑主要分為3步:脂肪酸的從頭合成、超長鏈脂肪酸的合成以及蠟質(zhì)各組分的合成。蠟質(zhì)成分的合成又分為脫羧和?；€原2個(gè)途徑,其中脫羧途徑又被稱為烷烴合成途徑,而酰基合成途徑又被稱為醇合成途徑。脫羧途徑主要合成醛、烷烴、次級(jí)醇和酮等;酰基還原途徑主要合成初級(jí)醇和蠟酯。

表1 擬南芥基因組中參與蠟質(zhì)合成、運(yùn)輸及調(diào)控的相關(guān)基因Table 1 Genes related to wax synthesis,transport and regulation in Arabidopsis thaliana genome

表2 玉米基因組中參與蠟質(zhì)合成運(yùn)輸及調(diào)控的相關(guān)基因Table 2 Genes related to wax synthesis,transport and regulation in maize genome

表3 水稻基因組中與蠟質(zhì)合成運(yùn)輸及調(diào)控的相關(guān)基因Table 3 Genes related to wax synthesis,transport and regulation in rice genome

2.1 脂肪酸的從頭合成

脂肪酸的從頭合成主要分為兩步:第一步是將脂肪酸的合成原料—乙酰輔酶A從線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中。在線粒體基質(zhì)中的乙酰輔酶A和草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸,檸檬酸通過線粒體內(nèi)膜上的載體進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中,在檸檬酸裂解酶(ATP-citrate lyase,ACL)的作用下,分解成乙酰輔酶A和草酰乙酸,草酰乙酸在蘋果酸脫氫酶和蘋果酸酶的作用下,通過線粒體內(nèi)膜上的載體回到線粒體基質(zhì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了乙酰輔酶A從線粒體基質(zhì)向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[99]。第二步是乙酰輔酶A在脂肪酸合成酶復(fù)合物(fatty acid synthase complex,FAS)的催化下,生成C16或C18脂肪酸,見圖1。乙酰輔酶A在乙酰輔酶A羧化酶的作用下,生成丙二酸單酰輔酶A,再經(jīng)過由β-酮酯酰-ACP合酶催化的縮合反應(yīng),由β-酮酯酰-ACP還原酶催化的還原反應(yīng),由β-羥酯酰-ACP脫水酶催化的脫水反應(yīng),由烯酯酰-ACP還原酶催化的還原反應(yīng),最終生成產(chǎn)物丁酰-ACP,由此完成一次循環(huán),脂肪酸鏈增加了2個(gè)C原子。經(jīng)過7或8個(gè)循環(huán)生成C16、C18酰基-ACP,再由?；?ACP硫酯酶(fatty acy1-ACP thioesterases,FAT)催化形成C16、C18脂肪酸[13,99-100]。具有FAT活性的基因有FATA和FATB,FATA對(duì)18:1-ACP的底物活性較高,對(duì)飽和酰基-ACP底物的活性較低,而FATB對(duì)飽和的?；?ACP底物活性高[99]。FATB是飽和脂肪酸合成的關(guān)鍵酶,而飽和脂肪酸對(duì)于植物表皮蠟質(zhì)主要成分中超長鏈飽和脂肪酸的衍生物(烴、醛、酮、伯醇、仲醇、酯等)、萜類等的蠟質(zhì)生物合成、以及調(diào)節(jié)植物生長和種子發(fā)育都具有重要作用[99-100,13-14]。

NADH+H+,還原性輔酶I;NAD+,輔酶I;ATP,三磷酸腺苷;ADP+Pi,二磷酸腺苷+游離磷酸基團(tuán);ACP,酰基載體蛋白;FatA/FatB脂肪酸ACP硫酯酶,酰基-ACP硫酯酶。NADH+H+,reduced coenzyme I;NAD+,coenzyme I;ATP,adenosine triphosphate;ADP+Pi,adenosine diphosphate+phosphate radical;ACP,acyl carrier protein;FatA/FatB,fatty acy1-ACP thioesterases A or fatty acy1-ACP thioesterases B.

2.2 超長鏈脂肪酸(VLCFAs)合成

C16、C18脂肪酸在長鏈?；o酶A合成酶(long chain acyl-CoA synthetase,LACS)的催化下形成相應(yīng)的?；o酶A,再轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,見圖2。Lv等[15]研究發(fā)現(xiàn),擬南芥突變體lacs1/cer8的莖和葉表皮的蠟質(zhì)總量減少,C29烷烴的含量明顯減少,C26—C30自由脂肪酸含量增加,同時(shí)發(fā)現(xiàn)突變體C16角質(zhì)單體含量下降,C18角質(zhì)單體含量增加,這說明,LACS1/CER8基因不僅與植物表皮蠟質(zhì)合成有關(guān),在角質(zhì)的合成中也發(fā)揮作用。Weng等[16]發(fā)現(xiàn),擬南芥突變體lacs2的角質(zhì)含量顯著降低但蠟質(zhì)含量無顯著變化,而在lacs1/lacs2雙突變體中烷烴、次級(jí)醇、酮等含量顯著減少,這表明了LACS2具有增強(qiáng)LACS1蠟質(zhì)合成的功能。擬南芥LACS3也參與植物表皮蠟質(zhì)的生物合成,LACS3在體內(nèi)具有很高的?；鵆oA合成酶活性,且在酵母中表達(dá)時(shí)能夠增加長鏈脂肪酸的含量[17]。LACS4與LACS1在蠟質(zhì)合成中具有累加效應(yīng),其雙突變體中蠟質(zhì)組分醛、烷烴等含量顯著低于單突變體中的含量[18]。

KCS,β/3-酮脂酰-CoA合成酶;KCR,β/3-酮脂酰-CoA還原酶;HCD,β/3-酮脂酰-CoA脫水酶;ECR,反式-2-烯酯酰-CoA還原酶;Ald,醛類;alc,醇類;1°alc,伯醇;2°alc,仲醇;alk,烷烴;ket,酮類;FAE,脂肪酸延伸酶復(fù)合體。KCS,β/3-Ketoacyl-CoA synthase;KCR,β/3-ketoacyl-CoA reductases;HCD,β/3-hydroxyacyl-CoA dehydratases;ECR,trans-2-enoyl-CoA reductases;Ald,aldehydes;alc,alcohol;1°alc,primary alcohol;2°alc,secondary alcohol;alk,alkene;ket,ketone;FAE,fatty acid extension enzyme complex.

C16、C18脂肪酸輔酶A形成的超長鏈脂肪酸(very long chain fatty acids,VLCFAs)是蠟質(zhì)合成的直接前體物質(zhì)。VLCFAs是在植物表皮細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中由脂肪酸延伸酶(multienzyme fatty acid elongase,FAE)復(fù)合體催化形成。FAE復(fù)合體主要包含4種酶,分別為β-酮脂酰輔酶A合成酶(β-ketoacyl-CoA synthase,KCS)、β-酮?；o酶A還原酶(β-ketoacyl-CoA reductase,KCR)、β-羥酰基輔酶A水解酶(β-hydroxyacyl-CoA dehydratase,HCD)和烯酰輔酶A還原酶(enoyl-CoA reductase,ECR),在這4種酶的催化下,經(jīng)過多個(gè)循環(huán)反應(yīng),C16或C18脂肪酸被延伸成為具有足夠碳鏈長度(20～34個(gè)C)的VLCFAs[101-103]。其中,KCS具有嚴(yán)格的底物特異性,它的類型決定了循環(huán)反應(yīng)的速度和最終得到的?；o酶A產(chǎn)物的長度。除此之外,脂肪酸去飽和酶(fatty acid desaturase,FAD)是多不飽和脂肪酸合成途徑中的關(guān)鍵酶,它控制著多不飽和脂肪酸的不飽和程度,其脫氫作用也能直接影響到植物表皮脂肪酸的合成和蠟質(zhì)積累[54]。

Costaglioli等[104]通過轉(zhuǎn)錄組分析在擬南芥基因中鑒定出21個(gè)KCS基因,且已有8個(gè)KCS基因被證明可編碼能夠催化 VLCFA 形成的蛋白[19,104]。有研究表明,KCS1基因突變導(dǎo)致擬南芥葉片表皮蠟質(zhì)C26～C30醇和醛含量顯著減少,但C29烷烴和C29酮含量無顯著變化[19]。KCS2/DAISY和KCS20的序列高度相似,主要參與脂肪酸的鏈長從C20延長至C22的過程,在缺水或滲透脅迫條件下,KCS2/DAISY的表達(dá)要高于KCS20[21]。KCS5/CER60可以利用C22作為底物,將脂肪酸鏈延長至C28[101]。KCS6/CER6編碼超長鏈脂肪酸縮合酶,是負(fù)責(zé)將VLCFA延伸至C34的關(guān)鍵酶,從而導(dǎo)致植株莖表皮蠟質(zhì)含量極顯著減少,在相對(duì)濕度較低的條件下還表現(xiàn)出部分雄性不育[22-23,105]。已有報(bào)道在擬南芥中KCS5和KCS6表現(xiàn)為功能冗余[24-25]。此外,玉米的Glossy4和擬南芥的CUT1基因編碼蛋白同源,編碼1種縮合酶,參與VLCFA的延伸[106]。擬南芥KCS9參與C22至C24脂肪酸的延伸,這些脂肪酸是角質(zhì)層蠟質(zhì)生物合成的重要前體[26-27]。Hegebarth等[28]研究發(fā)現(xiàn),KCS10/FDH基因編碼與KCS有關(guān)的蛋白質(zhì),該蛋白質(zhì)可能與長鏈脂質(zhì)分子的合成有關(guān),表明KCS10/FDH可能參與蠟質(zhì)和角質(zhì)層的形成。擬南芥KCS16主要參與C34—C36(C38)的延長,其突變會(huì)造成C36脂肪酸含量顯著減少[28]。KCS18/FAE1在擬南芥發(fā)育的種子中特異表達(dá),主要調(diào)控脂肪酸碳鏈長度從C18—C20(C22)的延伸,提高蓖麻種子中油酸的含量[31,107-108]。在玉米(Zeamays)中發(fā)現(xiàn)的Glossy8基因編碼β-酮?；?CoA還原酶(KCR),Glossy8突變會(huì)導(dǎo)致玉米幼苗葉片上蠟質(zhì)含量顯著減少[109]。Dietrich等[110]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了2個(gè)與GLOSSY8蛋白序列相似度高達(dá)97%的同源旁系蛋白GLOSSY8A和GLOSSY8B,這兩個(gè)同源基因雙突變體在胚胎發(fā)育過程中致死,其在影響蠟質(zhì)合成的功能上也和Glossy8相同。在水稻中發(fā)現(xiàn),WSL1編碼KCS家族蛋白,WSL1的突變體葉片和葉鞘上的蠟質(zhì)顯著減少,WSL1能催化C20—C24VLCFAs的延伸,進(jìn)而影響水稻幼苗期葉片及植株生長發(fā)育過程[93]。

KCR在植物形態(tài)建成過程中是非常重要的[111]。具有KCR酶活性的KCR1和KCR2,在擬南芥中能夠?qū)е轮参锉砥は炠|(zhì)含量減少并且影響超長鏈脂肪酸化合物的合成[32]。KCR1和KCR2在擬南芥的角果、花、莖、葉以及正在發(fā)育的胚胎中都有表達(dá),但只有KCR1能夠在根中表達(dá)。在水稻中發(fā)現(xiàn)的WSL3基因編碼KCR,且與擬南芥AtKCR1基因和酵母YBR159w基因編碼蛋白相似,并通過參與VLCFA的延伸影響水稻葉片蠟質(zhì)的生成[20]。擬南芥AKR2A基因的PES基序與KCS1的跨膜基序在質(zhì)體內(nèi)相互作用,可通過增加VLCFA的含量提高植株的耐寒性[112]。擬南芥PAS2基因具有HCD活性,PAS2突變體會(huì)導(dǎo)致種子中貯存的三酰甘油酯、表皮蠟質(zhì)、鞘脂類化合物等含量減少[34]。Yu等[48]研究發(fā)現(xiàn),擬南芥CER10編碼烯酰輔酶A還原酶(Enyl-CoA reductase,ECR),負(fù)責(zé)超長鏈脂肪酸(VLCFAs)的延伸反應(yīng),隨后衍生成角質(zhì)層蠟、儲(chǔ)存脂質(zhì)和鞘脂質(zhì)等[48,113]。在CER10突變體中,總蠟含量顯著減少,其中莖表皮蠟質(zhì)含量減少了60%。

在擬南芥CER2突變體中,所有蠟質(zhì)組分都減少,特別表現(xiàn)為超過28個(gè)碳原子的蠟質(zhì)組分含量顯著減少。Haslam等[43]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CER2屬于乙酰輔酶A依賴型酰基轉(zhuǎn)移酶BAHD超家族成員(BAHD superfamily of acyl-CoA-dependent acyltransferases),參與不同底物的?；磻?yīng),產(chǎn)生多種次生代謝產(chǎn)物。后來發(fā)現(xiàn)的CER2同源基因CER2-like1表明CER2是參與C28—C30VLCFA?；湹难由?而CER2-like1則是參與C30—C32VLCFA?；湹难由旆磻?yīng)[52-53]。此后,在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的CER26基因,與CER2具有較高的相似性,主要負(fù)責(zé)C30及以上脂肪酸鏈的延伸,其在葉片蠟質(zhì)合成上與CER2具有同樣的功能[44]。Alexander等[87]在玉米中也發(fā)現(xiàn)了CER2的同源基因Glossy2和Glossy2-like基因,他們都是BAHD超家族的?；D(zhuǎn)移酶的成員,與擬南芥CER2基因的序列非常相似,Glossy2和Glossy2-like在功能上可與擬南芥CER2突變互補(bǔ),對(duì)植物的表皮脂質(zhì)和脂質(zhì)組成有不同的影響,主要影響C32的烷基鏈酰基脂質(zhì),但Glossy2和Glossy2-like基因在影響表皮脂質(zhì)的功能上具有功能冗余現(xiàn)象。

2.3 酰基還原途徑

VLCFAs?；o酶A在依賴于NADH的酰基輔酶A還原酶(fatty acyl-CoA reductase,FAR)的作用下將脂肪酸催化合成初級(jí)醇(伯醇),每次循環(huán)由丙二酰輔酶A提供2個(gè)碳原子。初級(jí)醇與飽和脂肪酸在蠟質(zhì)合成酶(wax synthesis,WS)的催化下,縮合生成蠟酯,該途徑合成的蠟質(zhì)占整個(gè)總蠟的20%左右,見圖3。目前在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了1個(gè)編碼FAR的基因FAR3/CER4,其編碼1種催化醇形成過程中的脂肪?；o酶A還原酶(FAR)。據(jù)報(bào)道該酶負(fù)責(zé)在表皮和根中初級(jí)醇的合成,說明該基因在超長鏈初級(jí)醇的形成中具有非常重要的作用[4]。進(jìn)一步分析擬南芥CER4突變體的莖稈蠟成分,發(fā)現(xiàn)蠟質(zhì)的脂肪酸鏈為C16,C16是擬南芥莖表皮蠟質(zhì)中蠟酯(wax ester)合成的?；孜颷47]。Li等[49]研究表明,WSD1(wax ester synthase/acyl-CoA:diacylglycerol acyltransferase)是蠟質(zhì)合成酶/甘油二酯?；D(zhuǎn)移酶(wax ester synthase/Glyceryl diester acyltransferase,WS/DGAT)雙功能基因家族成員,在擬南芥莖稈的蠟酯合成中起了非常重要的作用。WSD1的突變體中,莖表皮蠟質(zhì)中蠟酯含量顯著減少,并且在大腸桿菌與酵母中表達(dá)WSD1基因,蠟酯含量顯著增加,表明WSD1主要參與蠟酯的合成。

圖3 表皮蠟質(zhì)主要成分合成途徑Fig.3 Synthesis pathway of main components of epidermal wax

2.4 脫羧途徑

VLCFAs在酯酰輔酶還原酶(FAR)的催化下生成醛類物質(zhì),后在醛脫羧酶(aldehyde decarboxylase,AD)的作用下直接脫羧生成奇數(shù)碳原子的烷烴,并釋放一氧化碳。烷烴是擬南芥中莖稈蠟的主要組成成分。烷烴在中鏈烷烴羥化酶(mid-chain alkane hydroxylase,MAH)的作用下羥化生成次級(jí)醇(仲醇),次級(jí)醇經(jīng)過醇氧化酶催化生成酮,通過此途徑合成的蠟質(zhì)占植株總蠟的80%左右[55]。目前,有關(guān)調(diào)控植物蠟質(zhì)中烷烴合成的基因研究較多。CER1是在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)蠟質(zhì)合成基因,其編碼醛脫羧酶(AD),負(fù)責(zé)把超長鏈醛轉(zhuǎn)化為超長鏈烷烴[36]。CER1突變體的莖表皮蠟質(zhì)成分中的烷烴、次級(jí)醇和酮含量下降,而醛含量上升。在相對(duì)濕度較低的情況下表現(xiàn)出雄性不育;過表達(dá)CER1的轉(zhuǎn)基因植株中奇數(shù)碳原子烷烴(主要是C29和C31)的含量顯著增加,可顯著提高植物的抗逆性[37]。后又有研究發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)角質(zhì)超長鏈烷烴復(fù)合體形成的CER1-LIKE1[40]。從擬南芥中克隆出的WAX2基因編碼1個(gè)約632個(gè)氨基酸的膜蛋白,同時(shí)影響角質(zhì)層和表皮蠟質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成。WAX2突變會(huì)導(dǎo)致醛、烷烴、次級(jí)醇、酮的比例減少,初級(jí)醇和蠟酯的含量增加以及花器官的融合,在相對(duì)濕度較低的條件下育性降低,表皮滲透性增加[51]。擬南芥CER3基因是WAX2/YRE/FLP1的等位基因,也參與蠟質(zhì)和角質(zhì)的生物合成[45]。Bernard等[38]研究發(fā)現(xiàn)擬南芥CYTB5s(cytochrome b5 isoforms)是CER1特殊的輔酶因子,可以提高CER1的活性,從而增加烷烴的生成。CER1與CER3和CYTB5s互作催化超長鏈?；o酶A合成超長鏈烷烴,CER1與CER3是VLCFAs合成烷烴的核心組件,CER3編碼一個(gè)超家族脂肪酸羥化酶蛋白,起還原酶作用,而CER1則具有醛脫羧酶活性[38]。玉米Glossy1(gl1)和擬南芥CER3/WAX2編碼蛋白同源,它不僅影響角質(zhì)層蠟質(zhì)的合成而且對(duì)植物表皮發(fā)育有多重效應(yīng),會(huì)改變毛狀體的大小以及影響角質(zhì)的結(jié)構(gòu)[52]。水稻中也克隆出1個(gè)與擬南芥CER3/WAX2和玉米GL1同源的基因WSL2,水稻W(wǎng)SL2突變體能夠顯著減少C22～C32脂肪酸的含量[53]。在玉米的蠟質(zhì)合成突變體Glossy11中,超長鏈醛合成過程完全受阻,烷基酯的含量明顯增加,尤其是鏈長為C40～C48的分子。此外,該突變體蠟質(zhì)成分中的正丁醇(C32烷醇)含量降低,此成分在表皮蠟形成中起重要作用[47,114]。從擬南芥中鑒定出的MAH1基因編碼中鏈烷烴羥化酶,定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,催化由烷烴轉(zhuǎn)化為次級(jí)醇和酮的反應(yīng),MAH1突變體與野生型相比次級(jí)醇和酮的含量減少,烷烴的含量增加,說明MAH1在次級(jí)醇和酮的合成過程中具有重要作用[55]。在番茄中鑒定出1個(gè)與CER1同源的基因SlCER1-1也參與催化烷烴的合成[39]。最新研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥莖蠟質(zhì)生物合成中脂肪醇氧化酶3(FAO3)和FAO4b在醇和烷烴的形成途徑中的均起作用[115]。

3 蠟質(zhì)運(yùn)輸、分泌及調(diào)控機(jī)制

目前,已發(fā)現(xiàn)的催化蠟質(zhì)合成前體VLCFAs的酶都定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上[116-117],這表明蠟質(zhì)產(chǎn)物都是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)合成的,蠟質(zhì)產(chǎn)物最終在表皮層發(fā)揮作用。因此,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中產(chǎn)生的蠟質(zhì)、醛、烷烴、醇、酮等蠟質(zhì)成分,需要從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中運(yùn)輸?shù)街参锏谋砥影l(fā)揮作用。此過程需要穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、質(zhì)膜、穿過細(xì)胞壁,最終在植物表皮上堆積組裝成蠟質(zhì)晶體[58]。

3.1 從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜

目前對(duì)于蠟質(zhì)成分從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到質(zhì)膜的運(yùn)輸途徑,存在著兩種假說,一種是囊泡分泌假說,認(rèn)為蠟質(zhì)成分以小囊泡的形式,從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)礁郀柣w,再運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜[5](圖4)。第二種假說認(rèn)為蠟質(zhì)成分通過與質(zhì)膜原生質(zhì)緊密并置的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)區(qū)域直接轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入質(zhì)膜,但是這些區(qū)域并不發(fā)生膜的融合,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和質(zhì)膜之間距離大約10 nm。已有研究證明脂質(zhì)可以從質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜,而無需囊泡的介導(dǎo)[58],因此推測(cè),蠟質(zhì)成分可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和質(zhì)膜的緊密并置區(qū)直接進(jìn)入質(zhì)膜,但目前這2種假說都沒有直接的試驗(yàn)證據(jù),有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖4 表皮蠟質(zhì)運(yùn)輸機(jī)制Fig.4 Mechanism of epidermal wax transport

3.2 從質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞壁

到達(dá)質(zhì)膜中的蠟質(zhì)成分要轉(zhuǎn)移到疏水性的質(zhì)外體中,從質(zhì)膜的疏水中心轉(zhuǎn)移超長鏈脂肪酸的衍生物需要消耗能量[58]。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,即ATP結(jié)合盒式蛋白(ATP-binding cassette transporter,ABC),是一類利用水解ATP的能量,由2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域及2個(gè)胞質(zhì)ATP結(jié)合域組成的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,可以將細(xì)胞質(zhì)膜上的糖、氨基酸、磷脂和肽、親脂性藥物、膽固醇和其他小分子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的一個(gè)亞基定位在質(zhì)膜上,能夠水解ATP提供能量,是植物中發(fā)現(xiàn)的能夠運(yùn)輸脂類的依賴于ATP供能的親脂蛋白,并直接影響了植物表皮蠟質(zhì)的積累[57-59,118]。第一個(gè)從擬南芥中克隆的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白由CER5編碼,命名為ABCG12,定位于細(xì)胞質(zhì)膜,參與植物表皮蠟質(zhì)的運(yùn)輸[58]。CER5突變體的莖和葉表皮蠟質(zhì)含量減少,在蠟質(zhì)分泌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中堆積了一些片狀的油脂夾雜物[58]。Bird等[57]研究表明,ABCG11突變體與CER5突變體表型相似,其莖和葉片表皮總蠟質(zhì)含量減少,并且ABCG11蛋白也定位于質(zhì)膜。ABCG11還與營養(yǎng)器官中角質(zhì)單體的輸出有關(guān)。ABCG11可以與ABCG12結(jié)合形成同源二聚體,ABCG12運(yùn)輸蠟質(zhì)成分到質(zhì)膜需要依賴ABCG11,ABCG11能夠與多種蛋白互作轉(zhuǎn)運(yùn)脂質(zhì)化合物[57,59]。玉米Glossy13基因與擬南芥ABCG32家族基因編碼蛋白高度同源,參與了蠟質(zhì)向表皮細(xì)胞運(yùn)輸?shù)倪^程[61]。Li等[91]研究發(fā)現(xiàn),玉米基因Glossy6可能不僅參與蠟質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的合成,可能也在細(xì)胞蠟質(zhì)運(yùn)輸過程中起作用,亞細(xì)胞定位發(fā)現(xiàn)Glossy6在高爾基體、囊泡膜、細(xì)胞質(zhì)等細(xì)胞器均有表達(dá),通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)Glossy6突變體葉片表皮細(xì)胞內(nèi)積累了大量的類似CER5擬南芥突變體中的針狀蠟質(zhì)晶體,不能運(yùn)出細(xì)胞膜外,由此推測(cè),Glossy6是在蠟質(zhì)合成、胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)冗^程起作用。在擬南芥中,WBC11參與表皮脂質(zhì)和蠟質(zhì)的運(yùn)輸,敲除WBC11導(dǎo)致植株生長發(fā)育遲緩,花粉粒形狀不規(guī)則以及植物表面角質(zhì)和蠟質(zhì)含量減少[58]。此外,植物花粉雄性不育也直接和花藥蠟質(zhì)積累量減少有關(guān),蠟質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能的異常直接導(dǎo)致花藥保水能力下降,導(dǎo)致花粉干癟敗育,花器官發(fā)育也和蠟質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌直接相關(guān)[56,60,95-97,119]。

3.3 從細(xì)胞壁到角質(zhì)層

穿過質(zhì)膜進(jìn)入質(zhì)外體的疏水蠟質(zhì)成分,需要經(jīng)過親水的細(xì)胞壁基質(zhì)到達(dá)植物角質(zhì)層,該過程主要有2個(gè)路徑,第一種路徑是脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(lipid transfer proteins,LTPs)發(fā)揮作用,植物蠟質(zhì)中最豐富的蛋白是非特異性脂轉(zhuǎn)移蛋白,該蛋白對(duì)底物的結(jié)合有廣泛的特異性[56,62],見圖4。當(dāng)疏水性的蠟質(zhì)成分到達(dá)質(zhì)體外后,其外分布的大量脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白迅速與其結(jié)合,將其運(yùn)輸出細(xì)胞壁到達(dá)表皮外側(cè)。關(guān)于LTPs將蠟質(zhì)輸送到角質(zhì)層的功能已被證實(shí)[56]。在LTPG1突變體中,莖和角果表皮的C29烷烴含量減少,而葉表皮中的含量變化較小[63],另發(fā)現(xiàn)LTPG2與LTPG1功能相似,作用于擬南芥角質(zhì)層蠟質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[64]。Sun等[65]研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥中超表達(dá)鹽芥非特異性脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TsnsLTP4會(huì)增加外表皮蠟質(zhì)沉積,特別是超過C27的蠟質(zhì)組分,TsnsLTP4蛋白亞細(xì)胞定位于細(xì)胞壁,在轉(zhuǎn)基因擬南芥中敲除TsnsLTP4,表皮蠟質(zhì)沉積的數(shù)量顯著減少。第二種路徑是蠟質(zhì)成分通過和細(xì)胞壁基質(zhì)相互作用穿過細(xì)胞壁。雖然細(xì)胞壁是親水性的,但細(xì)胞壁上的蛋白和多糖在細(xì)胞壁上形成了一個(gè)相對(duì)疏水的區(qū)域[120],蠟質(zhì)等疏水性成分可以通過此區(qū)域運(yùn)出細(xì)胞壁,從而在表皮積累,當(dāng)蠟質(zhì)積累到一定量,就可以在角質(zhì)中不定形蠟質(zhì)的基礎(chǔ)上形成表皮蠟質(zhì)晶體[121]。

4 蠟質(zhì)合成的調(diào)控機(jī)制

植物表面蠟質(zhì)的合成受到各種環(huán)境因子的影響,例如干旱等脅迫能夠促進(jìn)蠟質(zhì)的合成等[70,72,122]。另外,在植物發(fā)育過程中,蠟質(zhì)合成也具有一定的時(shí)空特異性,主要表現(xiàn)在不同植物種類、組織及器官表面蠟質(zhì)的分布都有所不同,如:擬南芥莖稈表面的蠟質(zhì)含量高于葉表面且主要由烷烴(占比38%)、酮(30%)、脂肪醇(12%)、仲醇(10%)、醛(6%)、游離脂肪酸(3%)和蠟酯(1%)組成,葉片中蠟酯含量相對(duì)較少[90]。目前對(duì)蠟質(zhì)合成調(diào)控的研究主要集中在3個(gè)方面:轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平及翻譯后水平調(diào)控,見表4。

表4 植物表皮蠟質(zhì)調(diào)控機(jī)制Table 4 Regulation mechanism of plant epidermal wax

4.1 蠟質(zhì)合成轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

已有大量的證據(jù)表明,植物表皮蠟質(zhì)合成可以在轉(zhuǎn)錄水平上被調(diào)控。WIN1/SHN1及其相似基因SHN2和SHN3,屬于AP2-EREBP類型轉(zhuǎn)錄因子,是最早被發(fā)現(xiàn)與表皮蠟質(zhì)合成有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。在擬南芥中發(fā)現(xiàn),WIN1/SHN1能顯著上調(diào)KCS1、CER1和CER2基因的表達(dá),它們都是編碼蠟質(zhì)生物合成途徑的酶[68]。后來Kannangara等[123]研究發(fā)現(xiàn),WIN1可以直接調(diào)控蠟質(zhì)合成中編碼長鏈?；o酶A合成酶的LACS2基因。在水稻中報(bào)道了擬南芥WIN1/SHN基因的直系同源基因OsWR1,OsWR1與蠟質(zhì)合成基因OsLACS2和OsFAE1的啟動(dòng)子上的DRE和GCC元件發(fā)生相互作用從而調(diào)控其表達(dá),是水稻中蠟質(zhì)合成相關(guān)基因的正向調(diào)節(jié)因子,有助于減少植物的水分流失和增強(qiáng)抗旱性[70]。在番茄(Solanumlycopersicum)中發(fā)現(xiàn)SlSHN1基因是蠟質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄激活子,過表達(dá)該基因會(huì)使GDSL脂肪酶、?；o酶合成酶基因的表達(dá)顯著上調(diào),進(jìn)而增加番茄果皮的蠟質(zhì)含量[68]。在擬南芥中過表達(dá)大豆(Glycinemax)的GmSHN1和GmSHN9基因發(fā)現(xiàn),參與脂肪酸延伸過程的AtKCS1、AtKCS2、AtCER6/CUT1、AtKCS10/FDH、AtKCR1、AtPAS2、AtCER10和AtCER2基因的表達(dá)均上調(diào),從而致使葉片表皮蠟質(zhì)含量增加[29]。擬南芥中AP2/ERF型轉(zhuǎn)錄因子WRINKLED4(WRI4)正調(diào)控?cái)M南芥莖稈蠟質(zhì)的積累,且其他已知的2個(gè)WRI1-like 蛋白WRI1和WRI3也在擬南芥脂肪酸合成中起正調(diào)控作用。WRI4直接與LACS1,KCR1,PAS2,ECR和WSD1的啟動(dòng)子區(qū)域相互作用,同時(shí)還可以直接參與到蠟質(zhì)前體的脂肪酸延長和蠟酯合成的調(diào)控[76-78]。Zhang等[71]在紫花苜蓿中也發(fā)現(xiàn)了包含AP2結(jié)構(gòu)域的WXP1轉(zhuǎn)錄因子正調(diào)控角質(zhì)層蠟質(zhì)的積累,并導(dǎo)致紫花苜蓿的抗旱性提升,WXP1和WXP2屬于AP2/EREB型轉(zhuǎn)錄因子,能夠調(diào)控CER6和LACS2基因,在苜蓿中過表達(dá)WXP1基因,C30初級(jí)醇含量顯著增加,其葉片上表皮蠟質(zhì)含量也顯著增加。Cheng等[69]在莎草屬(Cyperusesculentus)中分離的AP2/ERF型轉(zhuǎn)錄因子WRI4-like轉(zhuǎn)入擬南芥中也發(fā)現(xiàn)了同樣蠟質(zhì)增加的表型,莎草CeWRI4通過促進(jìn)表皮蠟的生物合成和沉積,從而提高其耐旱性和干旱脅迫下的水分利用效率。這些研究表明,WIN1/SHN1在調(diào)控蠟質(zhì)及角質(zhì)的生物合成或積累中發(fā)揮重要作用。Suh等[79-80]報(bào)道,MYB轉(zhuǎn)錄因子家族成員對(duì)陸生及藻類植物蠟質(zhì)的合成起著重要的調(diào)控作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的正調(diào)控蠟質(zhì)積累的轉(zhuǎn)錄因子占比較大[35,124];MYB16通過與WIN1/SHN1部分協(xié)同從而調(diào)控角質(zhì)的生物合成和蠟的積累[66];MYB106可以正調(diào)控WIN1/SHN1的表達(dá)[66];MYB30能夠通過調(diào)控KCS1/2、PAS2/HCD、CER3和LTPG1等基因的表達(dá),參與到蠟質(zhì)生物合成及VLCFAs延伸途徑中,誘導(dǎo)VLCFAs的積累[35];MYB96轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)升高,能作用于靶基因KCS1、KCS2、KCS6、KCR1和CER3,上調(diào)這些參與蠟質(zhì)合成通路基因的表達(dá)[33];MYB96的同源基因MYB94具有類似的功能,通過上調(diào)WSD1、KCS2/DAISY、CER2、FAR3和ECR基因促進(jìn)蠟質(zhì)合成[33],MYB94和MYB96通過與蠟質(zhì)生物合成基因啟動(dòng)子中相同的MYB共有基序結(jié)合來激活表皮蠟質(zhì)的生物合成[33];過表達(dá)MYB41基因,會(huì)使其植株細(xì)胞體積變小,角質(zhì)層不連續(xù),并增加角質(zhì)及蠟質(zhì)生物合成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的數(shù)量。這些結(jié)果表明,MYB41可以調(diào)控角質(zhì)和蠟質(zhì)的合成[67]。玉米中最早發(fā)現(xiàn)的調(diào)控蠟質(zhì)合成的Glossy3基因,其編碼1個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子并正調(diào)控蠟質(zhì)的合成[88]。Zheng等[89]曾利用玉米中已發(fā)現(xiàn)的蠟質(zhì)突變體進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析,以挖掘受Glossy3調(diào)控的更多的蠟質(zhì)合成相關(guān)基因。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析數(shù)據(jù)表明一些參與蠟質(zhì)合成基因的表達(dá)受晝夜節(jié)律調(diào)控,蠟質(zhì)的合成和積累也呈現(xiàn)相應(yīng)的節(jié)律性變化,這種變化與AP2/ERF型轉(zhuǎn)錄因子DEWAX調(diào)控有關(guān)[72]。DEWAX的表達(dá)受黑暗誘導(dǎo),呈現(xiàn)出與蠟質(zhì)合成相關(guān)基因相反的表達(dá)模式。據(jù)報(bào)道,擬南芥DEWAX能夠負(fù)調(diào)控LACS,如果抑制該轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),會(huì)增加LACS的活性,從而使葉片和莖稈蠟質(zhì)顯著增加;若過表達(dá)該基因則會(huì)降低LACS的活性,進(jìn)而減少葉蠟和莖蠟的總量。由此表明,DEWAX轉(zhuǎn)錄因子是蠟質(zhì)合成的負(fù)調(diào)控因子[73-75]。蠟質(zhì)除了具有反射光線和保水功能外,也會(huì)影響細(xì)胞的分化過程及器官分化的形態(tài)建成。Wu等[30]研究擬南芥卷葉突變體curlyflagleaf1(cfl1)時(shí)發(fā)現(xiàn)1個(gè)具有WW結(jié)構(gòu)域(蛋白-蛋白作用模式;A Module for Protein-protein Interaction)的CFL1蛋白,過量表達(dá)該基因會(huì)導(dǎo)致葉片表皮蠟質(zhì)合成量減少,伴隨著葉片卷曲器官融合,CFL1可以直接與HDG1互作進(jìn)一步正調(diào)控蠟質(zhì)合成關(guān)鍵基因FDH/KCS10。AP2/DREB型轉(zhuǎn)錄因子RAP2.4與WXP1具有高度序列相似性,在干旱脅迫下,能夠轉(zhuǎn)錄激活蠟質(zhì)合成過程中的KCS2和CER1的表達(dá),這表明RAP2.4是在干旱脅迫條件下激活擬南芥葉片中表皮蠟質(zhì)生物合成的轉(zhuǎn)錄因子[81]。目前已有研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥和亞麻薺(Camelinasativa(L.) Crantz)中過表達(dá)WSD1可以改善擬南芥和亞麻薺的滲透脅迫耐受性,從而增強(qiáng)對(duì)干旱脅迫的耐受性[50]。

5 蠟質(zhì)合成轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控

蠟質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄因子除了在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控以外,還存在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。擬南芥CER7對(duì)蠟質(zhì)的調(diào)控就屬于轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控,CER7編碼外泌體(exosome)的核心亞基,通過控制CER3的轉(zhuǎn)錄水平來調(diào)節(jié)擬南芥莖稈蠟質(zhì)水平[83]。Lv等[84]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),CER7編碼的蛋白具有3′→5′外切核糖核酸酶活性,能介導(dǎo)CER3轉(zhuǎn)錄物3′→5′的衰變,其衰變會(huì)引發(fā)siRNA(small interfering RNAs)的大量產(chǎn)生和CER3/WAX2高效的轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)沉默,表明CER7是在轉(zhuǎn)錄后通過RNA加工來調(diào)控蠟質(zhì)合成。另外,tasiRNAs(trans-acting small interfering RNAs)能夠直接作為效應(yīng)分子調(diào)控CER3/WAX2水平來調(diào)控蠟質(zhì)合成。在植物中存在著大量非編碼小RNA,它們通過對(duì)靶標(biāo)mRNA直接切割或在轉(zhuǎn)錄后抑制其翻譯對(duì)基因表達(dá)起調(diào)控作用[124]。這些研究說明植物中非編碼小RNA在蠟質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過程中起著重要作用。此外,CER16通過抑制轉(zhuǎn)錄后CER3基因的沉默從而調(diào)節(jié)烷烴的生物合成[46]。

6 蠟質(zhì)合成翻譯后水平調(diào)控

蠟質(zhì)生物合成調(diào)控還發(fā)生在翻譯水平上,但是目前在這方面的研究較少。CER9編碼一個(gè)帶有RING結(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶,可通過降解泛素-26S蛋白酶體系統(tǒng)從而使表皮脂質(zhì)合成受損,該基因功能缺失會(huì)致使C24、C26超長鏈脂肪酸合成量顯著增加,而醛、初級(jí)醇及烷烴等成分減少[84]。Ménard等[86]研究表明,2個(gè)編碼RINGE3泛素連接酶(HUB1和HUB2)基因通過H2B組蛋白的泛素化,通過上調(diào)LACS2和CER1基因的表達(dá),進(jìn)而調(diào)控表皮蠟質(zhì)的生物合成。2019年,Kim等[85]研究發(fā)現(xiàn),擬南芥SAGL1介導(dǎo)泛素連接酶復(fù)合物在細(xì)胞質(zhì)中靶向降解長鏈烷烴合成酶CER3,從而負(fù)調(diào)節(jié)表皮蠟的生物合成,SAGL1突變將導(dǎo)致嚴(yán)重的植株生長遲緩,耐旱性增強(qiáng)以及莖、葉和根中蠟的積累,SAGL1-CER3調(diào)節(jié)模式,可在不同濕度條件下維持陸生植物中表皮蠟生物合成的穩(wěn)態(tài)。

7 蠟質(zhì)的其他調(diào)控途徑

植物表皮蠟質(zhì)的生物合成及運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制較為復(fù)雜,除了以上脂肪酸合成、延伸、脂肪酸之間的轉(zhuǎn)換,以及蠟質(zhì)在胞內(nèi)的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)等較為穩(wěn)定的生物途徑外,還有一些潛在的調(diào)控模式目前還未被挖掘。Wang等[125]發(fā)現(xiàn),組蛋白乙?；窯CN5通過調(diào)控CER3的轉(zhuǎn)錄水平,從而正向調(diào)控?cái)M南芥莖稈蠟質(zhì)的合成。而Guo等[82]也發(fā)現(xiàn),水稻OsCHR4基因編碼1個(gè)CHD3家族染色體重組蛋白,其突變后導(dǎo)致水稻葉片變窄卷曲,且蠟質(zhì)積累。此外,植物生長環(huán)境也直接影響到表皮蠟質(zhì)的積累,且蠟質(zhì)含量的多少也會(huì)影響到植物體內(nèi)激素水平的變化,以及植物的生長發(fā)育。如在干旱和鹽脅迫下向日葵葉片蠟質(zhì)積累受到影響[98]。Takasugi等[94]發(fā)現(xiàn),水稻脂肪酸延伸酶的突變體oni1中不僅蠟質(zhì)含量減少,其植物生長素相關(guān)基因的表達(dá)也受到了影響。

8 結(jié) 語

已報(bào)道的植物表皮蠟質(zhì)的合成途徑表明,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的乙酰輔酶A經(jīng)過TCA循環(huán)后,經(jīng)過脂肪酸的從頭合成,生成C16、C18脂肪酸,在?；€原酶的催化下,延伸生成蠟質(zhì)合成前體VLCFAs,再經(jīng)過?；€原途徑和脫羧途徑生成蠟質(zhì)主要成分。已有研究在這個(gè)過程中挖掘到了很多相關(guān)基因,如長鏈?；o酶A合成酶(LACS)類基因、?；D(zhuǎn)移酶BAHD家族成員CER2基因、烷烴羥化酶MAH1基因等各類合成基因保證了蠟質(zhì)的合成。

除了目前已知的蠟質(zhì)生物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)及調(diào)控相關(guān)基因外,環(huán)境條件包括光照、溫度等環(huán)境因素對(duì)植物表皮蠟質(zhì)的調(diào)控機(jī)理還尚待挖掘;表觀遺傳學(xué)水平的調(diào)控機(jī)制也有待深入研究。今后,應(yīng)挖掘更多的蠟質(zhì)基因,通過超表達(dá)或者基因編輯技術(shù)對(duì)蠟質(zhì)進(jìn)行富集,從而提高植物的耐旱、耐熱、耐輻射及病蟲害抵御能力。其次,蠟質(zhì)也是果蔬保鮮的“秘密武器”,可延長果蔬的貨架期;也可以通過提純、合成相關(guān)產(chǎn)物,用于蔬果保鮮。