Sinh lý thực vật: Sự hình thành và chức năng của lớp biểu bì thực vật

Các lớp biểu bì thực vật là một lớp kỵ nước ngoại bào bao gồm các lớp ngoại bì trên không của tất cả các cây trồng cạn, cung cấp bảo vệ chống lại sự khô hạn và áp lực môi trường bên ngoài. Thập kỷ qua đã chứng kiến sự tiến bộ đáng kể trong việc lắp ráp mô hình cho sự sinh tổng hợp của hai thành phần chính của nó, là cutin polymer và sáp cuticular . Gần đây nhất, hai bước đột phá trong các cơ sở phân tử tìm ra sự hình thành ankan và tổng hợp polyester đã cho phép xây dựng gần như hoàn chỉnh con đường sinh tổng hợp cho cả hai loại sáp và cutin

Sự hình thành và chức năng của lớp biểu bì thực vật

Trevor H Yeats2 and Jocelyn K.C Rose*

Khoa Sinh học thực vật, Đại học Cornell, Ithaca, New York 14.853

Các lớp biểu bì thực vật là một lớp kỵ nước ngoại bào bao gồm các lớp ngoại bì trên không của tất cả các cây trồng cạn, cung cấp bảo vệ chống lại sự khô hạn và áp lực môi trường bên ngoài Thập kỷ qua đã chứng kiến sự tiến bộ đáng kể trong việc lắp ráp mô hình cho sự

sinh tổng hợp của hai thành phần chính của nó, là cutin polymer và sáp cuticular Gần đây

nhất, hai bước đột phá trong các cơ sở phân tử tìm ra sự hình thành ankan và tổng hợp polyester đã cho phép xây dựng gần như hoàn chỉnh con đường sinh tổng hợp cho cả hai loại sáp và cutin Đồng thời , một mạng lưới quản lý phức tạp kiểm soát sự tổng hợp của các lớp biểu bì đang nổi lên Nó cũng đã trở nên rõ ràng rằng vai trò sinh lý của các lớp biểu bì kéo dài vượt ra ngoài chức năng chính của nó như là một rào cản hơi nước , đóng vai trò quan trọng trong các quá trình khác nhau, từ phát triển để tương tác với vi khuẩn Ở đây, chúng tôi xem xét tiến bộ gần đây trong hóa sinh và sinh học phân tử tổng hợp lớp biểu bì và chức năng

và nổi bật một số trong những câu hỏi lớn mà sẽ điều kiển nghiên cứu tương lai trong lĩnh vực này

Cư dân thực vật đầu tiên của đất , khoảng 450 triệu năm trước trong thời kỳ giữa Paleozoi , phải đối mặt với một loạt thách thức liên quan đến môi trường trên mặt đất mới của

họ , bao gồm khô , nhiệt độ cao , trọng lực, và tăng tiếp xúc với bức xạ tia cực tím (Waters ,

2003 ; Leliaert và cộng sự, 2011) Việc chuyển đổi từ việc không chỉ sống dưới nước mà còn lên cạn, do đó, sẽ đòi hỏi sự phát triển của một hộp công cụ của đặc điểm hình thái và sinh lý , một số trong đó là rõ ràng thông qua các nghiên cứu về các mẫu hóa thạch hoặc bằng cách kiểm tra dòng máy còn tồn tại Ví dụ, sự phát triển của kiến trúc thành tế bào phức tạp để hỗ trợ cơ sinh học và bảo vệ cấu trúc, trong đó tiêu biểu cho các thực vật cạn hiện đại , có thể được truy trở lại phân kỳ và bức xạ trong tảo xanh Charophycean , tổ tiên trực tiếp của mình ( Sørensen và cộng sự , 2011 ) Tuy nhiên , các đặc điểm thích nghi quan trọng nhất cho sự sống còn trong terrestrialization sẽ có được khả năng giữ nước trong môi trường sống ngày càng bị mất nước Do đó, khả năng tổng hợp , lưu ký, và duy trì một lớp bề mặt kỵ nước , hoặc lớp biểu bì , trên bề mặt của các cơ quan trên không được cho là một trong những đổi mới quan trọng nhất trong lịch sử tiến hóa của thực vật Ý tưởng này được sinh ra do cả hai bằng chứng hóa thạch ( Edwards , 1993) và có mặt khắp nơi của lớp biểu bì trong số tất cả có phôi còn tồn tại , từ rêu ( Budke et al , 2012 ) để thực vật hạt kín

Được trang bị với một lớp da bảo vệ , cùng với một loạt các chiến lược thích ứng cho việc lấy và bảo tồn nước , cũng như để tránh hoặc chịu đựng căng thẳng về nước , có phôi bây giờ phát triển mạnh trong một loạt các môi trường hút ẩm ( Ogburn và Edwards , 2010 ; Aroca

et al , 2012 ; Delaux et al , 2012 ; Jones và Dolan , 2012 ; Obata và Fernie , 2012 ; Gaff và Oliver , 2013) Theo đó, lớp biểu bì từ một loạt các loài , và trong bối cảnh khác nhau sinh thái và nông nghiệp , đã được nghiên cứu từ quan điểm về vai trò của họ như là rào cản chính

để transpirational mất nước Tuy nhiên , bây giờ rõ ràng là lớp biểu bì đóng nhiều vai trò khác trong phát triển thực vật, sinh lý học , và tương tác với môi trường vô sinh và các sinh vật khác Thật vậy, trong những năm gần đây , đã có nhiều trường hợp của các hiệp hội bất ngờ giữa lớp biểu bì và các khía cạnh đa dạng sinh học thực vật Song song, trong thập kỷ qua đã chứng kiến sự tiến bộ đáng kể trong việc tìm hiểu sự sinh tổng hợp của các thành phần lớp biểu bì lớn và các mạng lưới điều tiết phức tạp kiểm soát tổng hợp lớp biểu bì và lắp ráp

Đánh giá này tóm tắt tiến bộ gần đây trong việc làm sáng tỏ các hóa sinh và sinh học phân tử tổng hợp lớp biểu bì và chức năng và nêu bật một số các kết nối đến các khía cạnh khác của sinh học thực vật, bao gồm cả tín hiệu, tác nhân gây bệnh, quốc phòng, và phát triển

Do phạm vi và không gian giới hạn rộng, không phải tất cả các khía cạnh của lớp biểu bì sinh tổng hợp được bao phủ theo chiều sâu, và chuyên ngành đánh giá gần đây tập trung vào tính chất cơ sinh học lớp biểu bì (Domínguez et al., 2011), chức năng bảo vệ (Reina-Pinto và Yephremov, 2009), và tính chất rào cản giao thông vận tải (Burghardt và Riederer, 2006) có thể quan tâm hơn nữa Ngoài ra, câu hỏi đang diễn ra chính trong lĩnh vực này sẽ được thảo luận, và tương lai tiềm năng phương pháp tiếp cận để giải quyết những câu hỏi được đề nghị

Cơ cấu lớp biểu bì, khả năng sinh tổng hợp

Lớp biểu bì thực vật là những cấu trúc phức hợp , bao gồm một giàn giáo phân tử liên kết hóa trị liên kết của cutin và một loạt các chất béo hòa tan trong dung môi hữu cơ - đó gọi chung là sáp Mặc dù lớp biểu bì thường được coi là độc lập với tế bào polysaccharide cơ bản của lớp biểu bì , hai cấu trúc có thể chất có liên quan và có một số chồng chéo chức năng Thật vậy, các lớp biểu bì có thể được coi là một sửa đổi lipidic chuyên môn của thành tế bào , giống như lignification là một sửa đổi chung của thành tế bào thứ cấp thực vật Cấu trúc vi mô

của các lớp biểu bì thường được chia thành hai lĩnh vực trên cơ sở nhuộm histochemical và

thành phần hóa học giả định của họ : một miền cutin giàu với polysaccharides nhúng , được gọi là " lớp cuticular , " và một lớp nằm phía trên đó là ít phong phú trong polysaccharides

nhưng giàu trong các loại sáp , gọi là " lớp biểu bì thích hợp " (Hình 1 ) Các loại sáp hoặc là

gửi trong ma trận cutin ( sáp intracuticular ) hoặc tích tụ trên bề mặt của nó như tinh thể sáp epicuticular , hoặc phim Các loại sáp epicuticular có thể trao tính chất bề mặt vĩ mô riêng biệt: bộ phim epicuticular chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện bóng chung cho nhiều lá và quả , trong khi chiếm tinh thể sáp epicuticular cho ngu si đần độn , sự xuất hiện của bông cải xanh lục lam ( Brassica oleracea ) lá và Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) xuất phát Tổ chức kiến trúc lớp biểu bì có thể phân biệt bằng cách sử dụng một số kỹ thuật kính hiển vi

Kính hiển vi điện tử quét có thể tiết lộ các hình thái phức tạp và đa dạng của các tinh thể

epicuticular sáp (Hình 1 B; Jeffree, 2006), trong khi kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy

khuôn mẫu riêng biệt của các lớp bên trong của lớp biểu bì, mặc dù phương pháp này không

cho phép hình dung cấu trúc sáp (Hình 1 C) Lớp biểu bì thay đổi đáng kể trong kiến trúc của

họ và, tùy thuộc vào loài và ontogeny, khác nhau đáng kể trong hickness, từ nanomet với quy

mô micromet (Jeffree, 2006) Trong trường hợp sau, kính hiển vi ánh sáng có thể được sử

dụng để làm sáng tỏ cấu trúc tốt của tế bào biểu bì và biểu bì (Hình 1D), trong khi nhuộm

histochemical kết hợp với kính hiển vi đồng tiêu có thể tiếp tục giải quyết kiến trúc lớp biểu bì

ba chiều (Buda et al., 2009 )

Hình 1 Cơ cấu lớp biểu bì của thực vật.

A, Sơ đồ làm nổi bật các đặc điểm cấu trúc chính của lớp biểu bì và lớp tế bào biểu bì

cơ bản (không vẽ theo tỷ lệ)

B, hình ảnh hiển vi quét electron của một cây Arabidopsis lớp biểu bì và lớp biểu bì lá nằm phía trên, nhìn thấy trong mặt cắt ngang Bar = 5 mm (Hình ảnh lịch sự của Tiến sĩ Lacey Samuels.)

C, hình ảnh hiển vi điện tử truyền của một gốc thành tế bào biểu bì và lớp biểu bì Arabidopsis Bar = 500 nm (Hình ảnh lịch sự của Tiến sĩ Christiane Nawrath.)

D, hình ảnh kính hiển vi ánh sáng hiển thị các lớp biểu bì của một màu xanh lá cây-giai đoạn trưởng thành

quả cà chua màu đỏ với Sudan và thành tế bào polysaccharide dính Alcian Blue Bar =

50 mm

Sinh tổng hợp sáp.

Thành phần sáp có thể thay đổi đáng kể với các loài , ontogeny , và điều kiện phát triển môi trường ( Jenks và Ashworth , 1999) Trong hầu hết các trường hợp, phần lớn các hợp chất bao gồm sáp cuticular có nguồn gốc từ các axit béo rất dài chuỗi ( VLCFAs ; C20 - C34 ) , bao gồm alkan , andehit , rượu chính và phụ, xeton , este (Bảng I) Ở một số loài , nhiều chất chuyển hóa trung học ưa mỡ , chẳng hạn như triterpenoids pentacyclic , flavonoid và tocopherols , cũng có thể là thành phần đáng kể ( jetter et al , 2006) Đã có tiến bộ ấn tượng trong việc phát hiện sinh học phân tử cơ bản VLCFAderived sáp sinh tổng hợp , và để kết thúc , Arabidopsis đã cung cấp một mô hình thử nghiệm xuất sắc ( Bernard và Joubès , 2013) Ngoài lợi thế nổi tiếng của nó như là một hệ thống di truyền , sự hiện diện của các tinh thể sáp epicuticular gốc , mà truyền đạt một sự xuất hiện lục lam trong các loại hoang dã , đã cho phép một màn hình dễ dàng cho đột biến waxdeficient Đột biến như vậy, gọi là eceriferum ( cer ; Koornneef et al , 1989) , thường biểu hiện một kiểu hình thân bóng, và nó đã được chủ yếu thông qua các phân tích phân tử của các đột biến và sáp khác một con đường ngày càng hoàn thiện cho acyl sáp sinh tổng hợp đã được thành lập

Sáp sinh tổng hợp bắt đầu với de novo C16 hoặc C18 sinh tổng hợp acid béo trong

plastid của tế bào biểu bì(Hình 2) Các hợp chất axit béo chuỗi dài được chuyển đổi để CoA

thioesters bởi một chuỗi dài acyl-coenzym A synthase (Lacs) isozyme và cuối cùng là chuyển giao cho lưới nội chất (ER) Themechanism buôn bán nội bào của axit béo từ lục lạp đến phòng cấp cứu vẫn chưa được biết, mặc dù biểu hiện dị của Arabidopsis LACS1, LACS2, và tạo điều kiện cho sự hấp thu LACS3 acid béo trong nấm men, cho thấy rằng lớp này của các enzym có thể đóng vai trò kép trong buôn bán axit béo và kích hoạt (Pulsifer et al., 2012) Để tham khảo, Bảng II cung cấp một danh sách các gen tương ứng, cũng như những người khác được thảo luận trong bài viết này Các C16 acyl-CoA sau đó là một chất nền cho các acid béo elongase (FAE) phức tạp Ngoài ra thông qua kế tiếp của hai cacbon mỗi chu kỳ có nguồn gốc

từ malonyl-CoA, các sản phẩm cuối cùng của phức tạp này là VLCFAs Khu phức hợp bao gồm bốn tiểu đơn vị cốt lõi: ketoacyl-CoA synthase, ketoacyl-CoA reductase, b-hydroxyacyl-CoA dehydratase, và enoyl-CoA reductase Trong Arabidopsis, 21 gen được dự đoán sẽ mã hóa b-ketoacyl-CoA synthase, và cho sáp sinh tổng hợp, gen quan trọng nhất, dựa trên kiểu hình đột biến, là CER6 (Fiebig et al., 2000) Gien mã hóa các tiểu đơn vị còn lại của khu phức hợp FAE, đại diện bởi KCR1, PAS2, và CER10, tương ứng, ít dư thừa, và kiểu hình đột biến pleiotropic của họ nhấn mạnh tầm quan trọng chung của FAE trong việc tạo ra tiền thân VLCFA cho sinh tổng hợp sphingolipid (Zheng et al., 2005; Bạch et al, 2008; Beaudoin

và cộng sự, 2009) Một gia đình bổ sung protein, bao gồm CER2, CER26,và CER26-như, dường như cần thiết cho việc kéo dài axit béo đến độ dài lớn hơn 28C (Haslam và cộng sự, 2012; Pascal và cộng sự, 2013) Thật kỳ lạ, các enzym có trình tự tương đồng với acyltransferases BAHD, nhưng được bảo tồn xúc tác acid amin của gia đình này của các enzym là hao thiết cho hoạt động kéo dài thúc đẩy của CER2 (Haslam et al., 2012) Các chu

kỳ kéo dài có thể được chấm dứt bởi một thioesterase để tạo thành VLCFAs miễn phí, hoặc các este VLCFA-CoA có thể trải qua những thay đổi hơn nữa

Rượu chính có thể được sản xuất từ VLCFACoA bởi béo acyl-CoA reductase, một loại enzyme được mã hóa bởi CER4 trong Arabidopsis (Rowland et al., 2006) Rượu tiểu học miễn phí có thể xảy ra trong hỗn hợp sáp, hoặc chúng có thể được este hóa với axit béo để tạo thành

este sáp Trong trường hợp này, rượu là cùng với một nhóm acyl béo có nguồn gốc từ acyl-CoA Các cây Arabidopsis enzyme chịu trách nhiệm cho điều này là WSD1, một loại enzyme của sáp synthase / diacylglycerol acyltransferase gia đình (Li et al., 2008)

Bảng I lớp acyl-lipid chính được tìm thấy trong các loại sáp cuticular Hầu hết các lớp học xảy ra hàng loạt như tương đồng với bản phân phối rộng độ dài chuỗi, các hợp chất với độ dài chuỗi trung bình điển hình được hiển thị.

Hình 2 Cutin và con đường sinh tổng hợp sáp Gen (chữ màu xanh) được mô tả trong tổng quan Chữ màu đỏ biểu thị các lớp hợp chất thường được quan sát thấy trong hỗn hợp sáp cuticular.

Chi nhánh thứ hai của acyl sáp sinh tổng hợp dẫn đến sự hình thành của các aldehyd và, cuối cùng, ankan Điều thú vị là, trong Arabidopsis, LACS1, mà cũng là cần thiết cho C16 cutin monomer sinh tổng hợp, dường như có một đặc bổ sung cho C30 VLCFA và là cần thiết cho sự tích lũy bình thường của các hợp chất sáp hạ lưu (Lu et al., 2009) Điều này cho thấy chuyển đổi của bể bơi trong tế bào miễn phí VLCFA trở lại VLCFACoA là một tuyến đường quan trọng để aldehyde và ankan sinh tổng hợp, chứ không phải là VLCFA-CoA trực tiếp từ FAE Một câu hỏi chưa được giải quyết lâu dài trong việc sáp sinh tổng hợp là cơ sở enzyme tổng hợp ankan Hóa sinh cổ điển, sử dụng các chất chiết xuất từ hạt đậu thô (Pisum sativum), chỉ ra rằng phản ứng có thể xảy ra thông qua việc giảm VLCFA-CoA đến một trung gian aldehyde tiếp theo decarbonylation, năng suất một ankan đó là 1C ngắn hơn (Cheesbrough và Kolattukudy, 1984; Schneider-Belhaddad và Kolattukudy, 2000) Mặc dù enzyme này không được tinh khiết và xác định , bằng chứng thuyết phục gần đây đã đạt được, qua các nghiên cứu của Arabidopsis, mà CER1 và CER3 trong hành động phức tạp với nhau để xúc tác cho sự hình thành của ankan từ VLCFA -CoA Nó được thể hiện bởi một men phân chia ubiquitin khảo nghiệm hai lai và cây Arabidopsis chia luciferase khảo nghiệm mà CER1 tương tác với CER3 cũng như một số đồng dạng của cytochrome b5 Hơn nữa, biểu hiện dị của sự kết hợp của CER1 , CER3 , một b5 cytochrome , và LACS1 trong men dẫn đến sự hình thành của ankan rất dài chuỗi ( Bernard et al , 2012 ) Điều này mạnh mẽ cho thấy rằng một phức hợp gồm CER1 và CER3 với cytochrome b5 như là một nhà tài trợ điện tử xúc tác giảm và decarbonylation của VLCFA -CoA để hình thành alkan cuticular Bên cạnh là một thành phần chính của hỗn hợp sáp, ankan có thể trải qua sửa đổi thêm để tạo thành rượu thứ và xeton Trong Arabidopsis , cả hai oxy hóa được thực hiện bởi các enzyme cytochrome P450 midchain hydroxylase ankan ( MAH1 ; Greer và cộng sự, 2007 )

Tổng hợp cutin tiền bối

Cutin thường chứa các axit béo hydroxy interesterified, với số tiền ít hơn glycerol, phenylpropanoids, và axit dicarboxylic (Kolattukudy, 2001) Quy trình hóa học tách cầu nối ester, chẳng hạn như xà phòng hóa, dễ dàng phát hành các thành phần monomeric, mặc dù trong một số loài một polymer lipidic bổ sung, gọi là cutan, vẫn còn ngoan cố đến phương pháp điều trị như vậy Cutan giàu trái phiếu ether và CC, nhưng cấu trúc của nó là nếu không chưa biết, và nó dường như được giới hạn tương đối ít loài còn sinh tồn (Gupta và cộng sự., 2006) Các axit béo hydroxy của cutin thường axit béo v-hydroxy, thường là với một hoặc hai

nhóm hydroxyl midchain bổ sung hoặc một nhóm epoxy (hình 3) Mặc dù các cuộc điều tra

rộng rãi của các thành phần hóa học của cutins nhà máy trong những năm 1970 và 1980 (Kolattukudy, 2001), các thành phần của cây Arabidopsis cutinwas không xác định cho đến khi tương đối gần đây (Bonaventure và cộng sự, 2004; Franke và cộng sự, 2005) Điều quan trọng cần lưu ý là, trong này loài mô hình quan trọng, cutin của thân và lá là không điển hình trong đó thành phần chủ yếu của nó là một axit dicarboxylic (hình 3), ngụ ý rằng các motif cấu trúc chủ yếu phải là một copolymer với polyhydroxy chưa biết hợp chất, có lẽ glycerol (Pollard et al., 2008) Tuy nhiên, mặc dù các thành phần không điển hình của cutin của nó, Arabidopsis đã được chứng minh là một mô hình quan trọng cho giải mã con đường sinh tổng hợp của cutin, và gần đây hơn, người ta phát hiện ra rằng cutin của các cơ quan hoa của nó là

điển hình hơn, trong đó bao gồm chủ yếu của 10,16 axit dihydroxyhexadecanoic (Li-Beisson

et al., 2009) Trong khi có sự đa dạng đáng kể trong cơ cấu các monome cutin, đường cho sinh tổng hợp 10,16 dihydroxyhexadecanoic cutin axit dựa trên là hoàn thiện nhất, và những chủ đề chính của sinh tổng hợp cutin có khả năng chia sẻ cho monome cutin khác Ở đây, chúng tôi tóm tắt con đường này dựa trên các nghiên cứu di truyền và sinh hóa phân tử gần đây sử dụng cây Arabidopsis và cà chua (Solanum lycopersicum)

Hình 3 Monome cutin điển hình và cấu trúc polymer

A, Một số béo C16 và C18 điển hình acidderived monome cutin Từ trên xuống dưới: 10,16 – Axit dihydroxyhexadecanoic, 16-hydroxyhexadecanoic axit, axit 9,10-epoxyoctadecanoic, axit octadecanoic 9,10,18-trihydroxy, và octadeca-cis-6, cis-9-dien-1, 18 -dioate, monomer cutin chính của cây Arabidopsis thân và lá

B, tuyến tính và lĩnh vực phân nhánh có thể được thực hiện bởi liên kết ester khác nhau của 10,16 axit dihydroxyhexadecanoic, mô tả sơ đồ như được chỉ ra

Nội bào Acyltransferases và Hydroxylases

Sinh tổng hợp cutin bắt đầu với de novo béo tổng hợp acid trong plastid của tế bào biểu bì (Hình 2) Ba bước tiếp theo xảy ra trong ER và bao gồm v- hydroxyl và midchain hydroxyl hóa và tổng hợp của một acyl -CoA trung gian Thứ tự tương đối của các bước không được biết, mặc dù nó đã được chứng minh rằng v- hydroxyl đi trước hydroxyl midchain và sản phẩm cuối cùng của các bước là có thể là một este axit -CoA dihydroxyhexadecanoic (Li-Beisson et al , 2009 ) V -hydroxylase được mã hóa bởi các thành viên của phân họ CYP86 của cytochrome P450s ( CYP86A4 trong Arabidopsis hoa ; Li- Beisson et al, 2009 ), trong khi hydroxylase midchain được mã hóa bằng cách phân họ CYP77 ( CYP77A6 trong Arabidopsis hoa ; Li- Beisson et al , 2009) Các acyltransferases rằng tổng hợp acyl -CoA được mã hóa bởi gia đình Lacs , trong đó bao gồm chín thành viên trong Arabidopsis , và cả hai LACS1 và LACS2 xuất hiện chịu trách nhiệm về C16 cutin monomer sinh tổng hợp ( Lu

et al , 2009)

Một acyltransferase nội bào bổ sung cần thiết cho sự tổng hợp polyester cutin là một glycerol 3-phosphate acyltransferase ( GPAT ) Gần đây, người ta thấy rằng các nhà máy có một phân họ độc đáo của GPATs nhị chức mã hóa các enzyme với cả hai glycerol 3 -phosphate sn- 2 - cụ thể : acyl -CoA hoạt động acyltransferase cũng như hoạt động phosphatase , năng suất este 2 - monoacylglyceryl ( Yang et al , 2010 ) Trong trường hợp của Arabidopsis hoa cutin , hoạt động này được mã hóa bởi GPAT6 (Li- Beisson et al , 2009) Mặc dù trình tự cụ thể của tất cả các bước sinh tổng hợp trong tế bào sẽ yêu cầu mô tả đặc điểm bổ sung của đặc chất nền của mỗi enzyme , đặc tính sinh hóa của cây Arabidopsis GPATs nhị chức chỉ ra rằng họ có một sở thích mạnh mẽ cho v- hydroxyl acyl -CoA , cho thấy hydroxyl đứng trước chuyển giao cho glycerol ( Yang et al , 2012 ) Trong mọi trường hợp , các sản phẩm cuối cùng của các bước trong tế bào sinh tổng hợp cutin có khả năng là este 2 - monoacylglyceryl các monome cutin Trong trường hợp 10,16 dihydroxyhexadecanoic cutin axit dựa trên , đây là 2 mono ( 10,16) -dihydroxyhexadecanoyl glycerol (2- MHG)

Giao thông vận tải của lớp biểu bì tiền bối

Sau khi tổng hợp của sáp và cutin tiền chất, họ được xuất khẩu từ ER , qua màng tế bào, thông qua thành tế bào polysaccharide , và màng cuticular mới ra đời Hầu hết các quá trình vận chuyển chưa rõ ràng , mặc dù buôn bán của cả hai sáp và tiền chất cutin trên màng tế bào

đã được chứng minh phụ thuộc vào ATP -binding cassette ( ABC) vận chuyển Trong Arabidopsis , CER5 / ABCG12 ( Pighin et al , 2004) và ABCG11 ( Bird et al , 2007) được yêu cầu cho xuất khẩu sáp Cả hai vận chuyển một nửa mã hóa , và dựa trên phân tích đôi đột biến và phân tích huỳnh quang bimolecular bổ , có ý kiến cho rằng một heterodimer ABCG11/ ABCG12 là cần thiết cho tiết sáp ( McFarlane et al , 2010 ) ABCG11 cũng là cần thiết cho

sự tích lũy cutin , và vì nó cũng có thể dimerize với chính nó, nó đã được đề xuất rằng

homodimer đây là chức năng phức tạp chịu trách nhiệm về cutin xuất khẩu ( McFarlane et al ,

2010 ) Ngoài ra, một cây Arabidopsis thứ ba một nửa vận chuyển , ABCG13 , đã được chứng minh là cần thiết cho sự lắng đọng cutin trong hoa ( Panikashvili et al , 2011 )

Gần đây hơn, vận chuyển đầy đủ yêu cầu để lắng đọng cutin đã được xác định trong Arabidopsis (ABCG32; Bessire et al, 2011.) Lúa mạch hoang dã (Hordeum spontaneum) và gạo cũng như (Oryza sativa, Chen et al, 2011.) Mặc dù các bằng chứng di truyền rõ ràng hỗ trợ vai trò của vận chuyển ABC trong xuất khẩu lipid cuticular, tính đặc chất nền của các vận chuyển vẫn chưa được chứng minh trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, tất cả các vận chuyển ABC đã được liên quan đến lớp biểu bì sinh tổng hợp cho đến nay là thành viên của phân họ ABCG, mà có liên quan đến việc vận chuyển các chất béo và các hợp chất kỵ nước trong các

hệ thống khác (Moitra et al., 2011) Hơn nữa, trong một số trường hợp, tế bào inclusionswere lipidic quan sát inABCtransporter đột biến, tiếp tục hỗ trợ sự tham gia trực tiếp của họ trong cuticular xuất khẩu lipid (Pighin et al, 2004; Bird và cộng sự, 2007; Bessire và cộng sự, 2011)

Xuất khẩu của một số hợp chất sáp cũng xuất hiện để được tạo điều kiện bởi glycosylphosphatidylinositol (GPI) - protein lipid chuyển neo (LTPS), LTPG1 và LTPG2, được ràng buộc với bên ngoài tế bào của màng tế bào (Debono et al, 2009; Lee et al, 2009; Kim và cộng sự, 2012) Những protein này đại diện cho một lớp học độc đáo của LTPS, một gia đình protein nhỏ và thường hòa tan ràng buộc một loạt các chất lipid trong ống nghiệm (Yeats và Rose, 2008) Một câu hỏi còn lại chính là làm thế nào tiền thân lớp biểu bì kỵ nước được vận chuyển qua môi trường ưa nước của thành tế bào polysaccharide đến lớp biểu bì LTPS apoplastic đã được đề xuất để đóng một vai trò, mặc dù bằng chứng di truyền hoặc sinh hóa cho sự tham gia của họ trong giao thông vận tải nói chung là thiếu (Yeats và Rose, 2008) Trong trường hợp của dihydroxyacyl cutin tiền thân 2-MHG, phân nưa glycerol truyền đạt đầy

đủ phân cực để cho phép khả năng hòa tan dung dịch nước ở nồng độ millimolar thấp (Yeats

et al., 2012b) Điều này cho thấy protein lipid ràng buộc hoặc các yếu tố khác là không cần thiết để tạo thuận lợi cho vận chuyển tiền thân chính của sinh tổng hợp cutin Tuy nhiên, độ hòa tan của este glyceryl ít monome cutin cực đã không được điều tra, và họ, cùng với các loại sáp, có thể yêu cầu yếu tố bổ sung để tăng độ tan của nó trong apoplast

cutin trùng hợp

Bước cuối cùng của tổng hợp cutin là kết hợp của các monome hydroxyacyl vào polymer, nhưng cơ chế phân tử trùng hợp cutin là một bí ẩn lâu đời Tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này đã đạt được bằng cách nghiên cứu các đột biến cà chua deficient1 cutin ( cd1 ) và cây cà chua biến đổi gen trong đó biểu hiện CD1 đã bị đàn áp bằng cách sử dụng một chiến lược can thiệp RNA ( Girard và các cộng sự , 2012 ; Yeats và cộng sự, 2012b ) Đột biến cd1 trưng bày một suy giảm nghiêm trọng số lượng cutin polyme trong các lớp biểu bì trái cây ( Isaacson et al , 2009) , mặc dù phân tích hóa học cho thấy rằng , không giống như hoang dại trái cây, những người của tích lũy đột biến nonpolymerized 2 MHG ( Yeats và cộng al , 2012b ) Nhân bản của gen đột biến cho thấy rằng nó mã hóa một protein của GDSL - motif lipase / hydrolase gia đình ( GDSL ) , mà localizes để lớp biểu bì phát triển ( Girard và các cộng sự , 2012 ; Yeats và cộng sự, 2012b ) Mặc dù giống với enzym lipolytic , protein tái

tổ hợp hoạt động như một acyltransferase trong ống nghiệm , tạo thành oligomer polyester từ 2- MHG ( Yeats et al , 2012b )

Việc xác định các CD1 như synthase cutin đầu tiên được biết đặt ra một số câu hỏi về tính đặc hiệu và tổng quát của phản ứng xúc tác đó Phân tích phát sinh loài của CD1 và gen

tương đồng chỉ ra rằng mặc dù thuộc về một gia đình gen rất lớn, phân họ của GDSLs đại diện bởi CD1 là tương đối nhỏ và cũng được bảo tồn , với trình tự đại diện trên toàn đơn vị phân loại đa dạng của thực vật trên cạn ( Volokita et al , 2011 ) Trong Arabidopsis , orthologs giả định của nó tạo thành một gia đình gen fivemember , và sự im lặng của sự biểu hiện của

hai trong số này ( LTL1 và At5g33370 ) dẫn đến nhà máy trưng bày hợp nhất cơ quan hoa và thiếu nanoridges trên bề mặt cánh hoa , kiểu hình sao cho phù hợp với sự thiếu hụt cutin ( Shi et al , 2011 ) Một ortholog giả định bổ sung CD1 từ americana Agave trưng bày nội địa hóa và biểu hiện tương tự , tiếp tục hỗ trợ một cơ chế bảo tồn của các enzym CD1 -như làm synthases cutin ( Reina et al , 2007) Mặc dù sự hiện diện của một allele null, đột biến cd1 là không hoàn toàn thiếu cutin , vì vậy danh tính của synthases cutin bổ sung, hoặc các cơ chế có lẽ nonenzymatic tổng hợp cutin , đại diện cho một dòng hấp dẫn của nghiên cứu trong tương lai

Cấu trúc polymer của cutin chưa được hiểu rõ Thành phần monomeric có thể cung cấp một "danh phận", nhưng sự phong phú tương đối của mối liên hệ có thể có trong polymer là khó khăn để xác định, chủ yếu là do khó khăn trong việc hòa tan cutin còn nguyên vẹn (Serra

et al., 2012) Tuy nhiên, nhiều chức năng hiện diện trong nhiều monome cutin cho thấy polyme cutin bản địa có thể từ tuyến tính cho các cấu trúc phân nhánh hoặc kết ngang (Pollard

et al., 2008) Ví dụ, trong một polymer cutin lý tưởng bao gồm độc quyền của axit 10,16-dihydroxyhexadecanoic, các monome có thể được tham gia este hóa của một trong hai thiết bị đầu cuối hoặc nhóm hydroxyl midchain Este hóa của một hydroxyl duy nhất sẽ cho kết quả trong một polymer tuyến tính, trong khi este hóa của cả hai nhóm hydroxyl sẽ tạo ra cấu trúc phân nhánh (Hình 3B) Việc xác định các nhóm hydroxyl được este hóa của CD1 và synthases cutin khác nên chỉ ra cho dù regiospecificity trùng hợp cutin được kiểm soát enzym và liệu synthases cutin cụ thể xúc tác cho sự hình thành của tuyến tính, lĩnh vực phân nhánh của polymer cutin Hơn nữa, nó không biết làm thế nào phân nhánh hoặc qua liên kết của cutin ảnh hưởng đến chức năng lớp biểu bì, và việc xác định các synthases cutin bổ sung sẽ cho phép điều này được điều tra sử dụng phương pháp tiếp cận di truyền

QUY ĐỊNH VỀ lớp biểu bì sinh tổng hợp

Các quy định của lớp biểu bì sinh tổng hợp rất phức tạp và liên quan đến tương tác mạng lưới tín hiệu liên quan đến phản ứng của stress môi trường, ứng phó tác nhân gây bệnh,

và các quy định thông tin phản hồi dựa trên cấu trúc và tính toàn vẹn của lớp biểu bì của chính

nó Hơn nữa, như các lớp biểu bì là độc quyền tổng hợp bởi các tế bào biểu bì, quy định của lớp biểu bì sắc trong phát triển cũng có thể được coi là đóng một vai trò điều tiết trong phát triển lớp biểu bì Này được bao phủ sâu hơn trong một đánh giá tuyệt vời của Javelle et al (2011), và chúng tôi tập trung ở đây chỉ về quản lý trực tiếp của cutin và sáp sinh tổng hợp (Hình 4) Ngay cả trong bối cảnh hạn chế này, việc phân tích các đột biến quy định rất phức tạp do cơ chế đền bù giữa cutin và sáp sinh tổng hợp và kiểu hình pleiotropic khác Tuy nhiên, một mạng lưới quản lý phức tạp mà phản ứng với các tín hiệu phát triển và môi trường, qua trung gian của kích thích tố, các yếu tố phiên mã và phiên mã bổ nhiệm quy định, đang bắt đầu xuất hiện

Môi trường và nội tiết tố

Một phân tích hệ thống của cả hai thành phần lớp biểu bì và biểu hiện gen trong cây Arabidopsis cho thấy tổng hợp sáp được gây ra bởi tình trạng thiếu nước, natri clorua, và abscisic acid (ABA) phương pháp điều trị (Kosma et al., 2009) Ngược lại, sinh tổng hợp cutin

đã được báo cáo chỉ được gây ra bởi tình trạng thiếu nước và không ABA hoặc natri clorua,