<翻譯文章>國立嘉義大學園藝學系 蔡智賢名譽教授 譯
植物細胞壁-具有動態性、強韌性和適應性-是一個天然的變形者-3.5.2
The plant cell wall—dynamic, strong, and adaptable-is a natural shapeshifter
Deborah Delmer, Richard A. Dixon , Kenneth Keegstra, and Debra Mohnen
THE PLANT CELL 2024: 36: 1257-1311
(五)木質素 3.5.2
2.木質素的生物合成(Biosynthesis of lignin)
早期的木質素生物合成模型構想出一個代謝網絡，其中包含多條從第一個專一前驅物-反式肉桂酸(trans-cinnamic acid)-到羥基苯基(H; hydroxyphenyl)、癒創木酚基(G; guaiacyl)和紫丁香基(S; syringyl)-木質素單體的多種途徑。後續的模型主要基於重組途徑酶(recombinant pathway enzyme)的受質(substrate)專一性，提出了經過更明確規範的代謝路徑，然而，隨著新的基因證據的發現，以及動力學與代謝流分析的應用，該途徑的複雜性與靈活性變得更加明顯。目前已經明確，在禾草類植物中，進入木質素合成的代謝流有相當一部分源自酪胺酸而非苯丙胺酸。編碼所有酶的步驟的基因已被分離出來，並且大多數功能已透過基因學方法得到驗證。
與其他細胞壁聚合物不同，木質素在其單體組成上具有一定的靈活性。這一特性最早從某些物種木質素中發現非典型單元時顯現出來，例如黃烷醇苜蓿素(flavanol tricin)、二苯乙烯類化合物(stilbenes)或阿魏酸腐胺(feruloyl putrescine)。這一發現促使研究人員嘗試引入具有更易降解鍵結的額外單元，以便於細胞壁的加工處理。透過改造代謝途徑，使人工合成的木質素單體阿魏酸酯(monolignol ferulate)和薑黃素(curcumin; diferuloyl methane)得以形成，並被運輸至質外體(apoplast)並整合至木質素結構中，最終增強了生物質的糖化效率。此外，導入對羥基苯甲酸(pHBA; p-hydroxybenzoate)合成途徑，使楊樹木質素中酯化的對羥基苯甲酸大幅增加，為後續生產高價值化學品提供了潛在的“可剪切”分子。
果膠、半纖維素和纖維素等細胞壁成分透過高基氏體運輸(果膠和半纖維素)或由跨膜分子”機器”(纖維素)沉積完成後，木質素才在質外體(apoplast)中聚合。這啟動了關於木質素單體運輸及其聚合起始的諸多問題。基於木質部汁液中存在高濃度的松柏苷(coniferin)(松柏醇 β-D-葡萄糖苷(coniferyl alcohol β-D-glucoside))及其在針葉樹發育中木質化過程中的時間性關聯，加上放射性標記實驗的結果，研究者提出木質素單體可能以其醣苷(glycoside)形式透過膜轉運蛋白運輸至質外體(apoplast)，然後經質外體(apoplast)的醣苷水解酶(apoplastic glycosidases)的作用轉化回醣苷配基(aglycone)。生化研究顯示，包括阿拉伯芥在內的多種木本植物的膜組分中存在ATP 依賴型轉運蛋白，可用於運輸松柏苷(coniferin)及其他木質素單體醣苷(monolignol glycoside)，但迄今為止，在分子層面上唯一被鑑定出的轉運蛋白是一種低親和力的 H-單體轉運蛋白 唯一的轉運蛋白在分子層面上被鑑定的是低親和力的羥基苯基-單體轉運蛋白。目前仍缺乏癒創木酚基(G; guaiacyl)或紫丁香基(S; syringyl)單元轉運蛋白存在的基因證據，因此，一種替代假說認為木質素單體可能沿濃度梯度被動擴散由細胞漿(cytosol)進入質外體(apoplast)。該假說得到理論熱力學模型(theoretical thermodynamic model)的支持，並且觀察發現，木質素的聚合似乎是木質素單體從細胞漿(cytosol)轉運至質外體(apoplast)的必要條件。此外，小型木質素單體寡聚體的醣基化(Glycosylation)似乎是其在細胞內從細胞漿(cytosol)轉運到液胞所必需的。被動擴散機制或高度非專一性的轉運蛋白均可解釋”非天然(unnatural)” 木質素單體能夠進入質外體(apoplast)並被整合至木質素中的現象。“良鄰假說(Good neighbor hypothesis)” 認為，木質素單體可能在鄰近木質化木質部的薄壁細胞中合成，然後經由質外體(apoplast)擴散至細胞角落和/或中膠層處開始木質化。相比之下，束間纖維(interfascicular fiber)的木質化則似乎是細胞自律性過程。
最初認為木質素單體的聚合是由細胞壁過氧化酶(peroxidase)的活性所啟動的，這與這些酶的細胞定位以及在體外由木質素單體、過氧化酶(peroxidase)和過氧化氫(hydrogen peroxide)生成的木質素“脫氫聚合物(dehydrogenation polymers)” 廣泛研究的結果相一致。由於過氧化酶(peroxidase)由大基因家族編碼(阿拉伯芥中的 73 個成員)，且可能存在功能冗餘，因此很難透過基因實驗來確定其功能。後來有人提出，另一類銅氧化酶(copper oxidase)，即漆酶(laccase)，也可能參與木質素單體聚合。這一假設得到了基因功能喪失實驗的大力支持。例如，阿拉伯芥lac4 lac11 lac17 三重突變體的莖中，木質化完全缺失。然而，基因分析現已證實某些過氧化酶(peroxidase)參與木質化中的作用，並且目前模型認為，大多數木質素的生物合成涉及過氧化酶(peroxidase)和漆酶(laccase)這兩種酶，唯一的例外是在根部的卡氏帶(Casparian strip)，該處被認為僅需要過氧化酶(peroxidase)。
假設木質素單體透過被動運輸至質外體(apoplast)，那麼啟動自由基形成以促進聚合的酶的定位，可能是決定木質化起始部位的關鍵因素。木質化通常始於細胞角落，阿拉伯芥PEROXIDASE 64則定位於此區域，而LACCASE 4則是固定的，並局限於厚次生細胞壁。由於 lac 三重突變體缺乏木質素，這說明僅在細胞角落進行聚合的簡單起始，無法促進木質素鏈在整個細胞壁中的生長，暗示著可能還存在其他起始部位。理解不同細胞類型中木質化的啟動機制，是未來需要解決的關鍵問題。尼科·蓋爾德納(Niko Geldner)實驗室的開創性研究，已將卡氏帶(Casparian strip)確立為理解木質素啟動的細胞生物學與生物化學模型。
與大多數其他植物聚合物不同，木質素的組裝是非酶催化的。對於這樣一個重要的生物過程可能缺乏任何酶的控制，導致該領域的一些專家曾提出，基於自由基的鏈延伸可能需要某種類型的模板，以確保正確的組裝。這一觀點受到諾曼·劉易斯團隊(Norman Lewis’ group)開創性的發現(seminal finding)所啟發，即在大多數植物中，兩個松柏醇單元(coniferyl alcohol units)氧化偶聯形成二聚體木酚素(dimeric lignans)是在嚴格的立體化學控制下進行的，而這種控制是由所謂的指示蛋白(dirigent protein)與產生木質素單體自由基(monolignol radical)的漆酶(laccase)協同作用所實現的。指示蛋白(dirigent protein)是三聚體蛋白，無明確的催化反應，但它能夠指導基於自由基的偶聯的立體化學。這些蛋白幾乎存在於所有植物物種中，定位於細胞壁，通常與植物的抗病性有關。多年來，科學界一直爭論木質素單體的組裝(相較於木酚素(lignan))究竟是完全受化學控制(由約翰·拉爾夫(John Ralph)支持)，還是需要某種類似模板的結構，其中包含一系列指引位點 (由諾曼·劉易斯(Norman Lewis)、西莫·薩爾卡寧(Simo Sarkannen)及其他人支持)。雙方的論點可以在拉爾夫等人( Ralph et al.,2008)的文章中找到。雖然目前主流觀點認為，木質素鏈組裝本質上是純化學過程(且木質素明顯不具有任何可識別的立體化學特性)，但，指示蛋白(dirigent protein)在木質化的某些方面的作用(如聚合的起始或定位)正逐漸受到支持。例如，在玉米突變體中，缺乏特定指示蛋白(dirigent protein)會導致卡氏帶(Casparian strip)的木質素沉積受損，進而導致耐鹽性降低。
模板假說(The template hypothesis)也提出，羥基苯基(H; hydroxyphenyl)、癒創木酚基(G; guaiacyl)和紫丁香基(S; syringyl)木質素單體是唯一可以組裝成”真正” 木質素的組分，這與模板驅動過程的空間限制一致。最近發現多種化學成分(苜蓿素(tricin)、二苯乙烯類化合物(stilbenes)、松柏基(coniferyl)、阿魏酸(ferulate)、薑黃素(curcumin)等)可以摻入木質素中，似乎破壞了模板假說的這一原則，但仍然保留了木質素鏈生長可能依賴於特定蛋白起始位點的可能性。雖然透過基因手段操縱其濃度的效果因物種而異，但黃烷醇苜蓿素(flavanol tricin)可能在禾草類中充當木質化的起始位點。儘管如此，木質素結構的靈活性提供了前所未有的機會，可以微調主要細胞壁結構聚合物的組成，以幫助生物量降解或促進其增值。
