木質素的生物合成及降解研究現狀

李志蘭，杜孟浩

(1.浙江省自然科學基金委員會，浙江杭州 310012;2.中國林業科學研究院 亞熱帶林業研究所，浙江 富陽 311400)

木質素是植物體的主要化學組分，它與纖維素緊密結合，是植物細胞的胞間層和細胞壁纖維構造中的主要填充物，增強植物體的韌性和機械強度，協助疏導組織水分運輸，并能在一定程度上抵抗外界環境因子對植株的侵害，在植物的正常生長中起著重要的作用，同時木質素元也是自然界僅次于纖維素的第2大宗可再生的生物資源，遠自制漿造紙業興起的年代就受到關注［1］。近10年來，關于木質素的研究集中在木質素生物合成，木質素的化學降解和木質素的生物降解這3個方面。

1 木質素的生物合成

木質素的生物合成，主要是結合植物的生長發育、細胞壁結構、纖維素和纖維束結構的研究進行的。木質素生物合成的生化機理和途徑大體上是清楚的［1－3］，但具體酶促反應的調節和控制機制還不是十分了解，木質素合成途徑 (圖1)是根據中野維三等［2］，Campbell等［3］，Wheteen 等［4］的工作綜合繪制的。近10年來，對木質素與人類生活的密切關系認識日益深化，高含量木質素的木材和秸稈對獲得能源有利，而在木材、秸稈制漿造紙或生產纖維素乙醇過程中，木質素存在不利于生產紙漿，也不利于從木質纖維素中分離纖維素以及纖維素降解成還原性糖，木質素對生物降解的抗性也會影響地球碳循環的速率［5］。基于此，近年來又廣泛開展了木質素含量遺傳變異、木質素合成酶基因、木質素合成的基因調控以及多酶基因反義轉化的研究，并已取得了顯著的進展。

1.1 木質素生物合成的可能途徑

木質素的合成途徑依據分析和推測可以簡要概括為二大步驟，即木質素前體即單木質酚生成和單木質酚脫氫聚合成木質素，一般認為，禾本科植物主要是對羥基苯基木質素，裸子植物主要是愈創木基木質素，被子植物有的種類是愈創木基木質素，有的是紫丁香基木質素，或兩者兼有 (圖1)，裸子植物主要是愈創木基木質素，被子植物有的種類是愈創木基木質素，有的是紫丁香基木質素，或兩者兼有，但近年來的研究發現，裸子植物卷柏(Selaginella tamariscina)能通過不同于被子植物合成紫丁香基木質素的途徑合成紫丁香基木質素，這可能是趨同進化結果［6］。現今已有許多實驗證明一些酶系控制著木質素含量變化，利用懸浮細胞培養方法來研究PAL、4CL、OMT等酶對木質素前體誘導合成試驗［4，7］，證明這些酶系的活性與木質素前體濃度的相關性。一些植物如苜蓿 (M.sativa L)等編碼其木質素合成過程的一些酶 (PAL、4CL、CAD)基因存在多基因族［3］，班克松樹 (P.bmnksiana Lamb)PAL基因族成員有1～5個(PAL1 －5)［8－9］，基因家族的存在意味著可能存在一些有別于圖1的其他合成途徑。木質素合成過程中還存在許多非常規的亞單位和代謝的可塑性［4］，當一種牽涉單木質酚合成有關的酶受抑制時，植株個體的木質素含量仍保持在相對穩定水平上，并會出現非常規的木質素亞單位，這意味著存在一種補償機制以防止木質素含量減少，且存在一些未知酶的合成［9］，因此木質素的合成途徑有可能不同于圖1所描述的過程，或是存在可切換的途徑。

木質素合成酶的分子生物學特性及其作用機理研究日益受到重視，由圖1可看到的十幾種較為清楚的酶參與木質素合成，其中有些酶基因的DNA順序已被測定出來，所涉及的植物種類有玉米［10］、煙草［11］、擬 南 芥［12］苜 蓿［13］、楊 樹［14］、白 楊［15］、班克松［9］、火 炬松［16］、岡尾桉［17］卷柏［4］等 10 多種，從實際編碼的DNA大小看，編碼同一個酶DNA堿基數在不同的種間還是較為接近的，酶CAD、CoMT、OMT、CCR及過氧化物酶基因大小基本上在1 000 bp以上，LAC和4CL酶的基因稍大些，在1 500 bp以上，而 CcoAOMT基因大小為700～750 bp。這些酶系的實際編碼數量并不很大，這為基因轉化研究提供了可能。

圖1 木質素合成的可能途徑

1.2 木質素生物合成基因的遺傳操作

目前直接應用的方法來改變木質素含量的研究方興未艾。Piguemal等［17］將 CCR(EC 1.2.1.44)酶的cDNA的反義構件通過農桿菌載體轉化到煙草上，結果顯示CCmRNA含量和CCR活性下降，葉形異常，導管皺縮。CAD是催化木質素前體合成的最后一步的酶 (圖 1)，Baucher等［18］將分離出來的CAD酶的cDNA通過農桿菌介導進行正義和反義轉化到楊樹中，結果表明3個反義轉化品系木質素組織CAD活性下降70%，但木質素含量與對照相似，并未下降。Hignchi等［19］也進行了類似的試驗，CAD反義轉化的植株木質素含量并不下降，但木質素的組成和化學特性發生了變化。OMT是重要的控制木質素合成的酶，Dwivedi等［10］將編碼bi-OMT酶 (EC2.1.1.68)的反義序列與CaMV35S基因的增強子、啟動子和終止子組裝后轉化到煙草基因組內后，轉基因植株表面出正常的表現型，植株莖部中bi-OMT酶活性平均下降29%，木質素含量下降水平與bi-OMT酶活性程度相關。Doorselaere等［11］應用反義 COMT轉化楊樹后，轉化植株COMT活性下降為正常的5%，但木質素含量并不下降。依據應用轉化單酶基因方法改造木質素含量的研究報道，降低單個酶 OMT、CAD、POD、COMT和F5H等酶系的活性，并不影響木質素含量變化，而降低酶系PAL、C4H4CL和CCR等的活性，則可減少木質素含量。雖然還有許多單一酶系影響木質素含量的報道，但單一酶系的作用到底有多大仍然不清楚，且因不同植物種而表現不同，離體試驗結果和體內表現也不一致，這顯示了木質素合成途徑的復雜性，也可能存在多途徑的替代和切換，至今所有有關木質素基因工程植株研究都沒有進行田間的穩定性評估。

2 木質素的改性和降解

2.1 木質素化學改性和降解

木質素的化學降解是近十幾年來研究熱點之一，主要是圍繞1個目標，一是木質素的改性，常用的改性方法有氨化［20］、磺化［21］、氫化［22］、烷基化［23］、氧化［24］、接枝共聚［25］等，如任承霞等的試驗結果，在一定濃度NaOH和 H2O2降解后，分子量>10 000的高分子組分含量明顯下降，氧化木質素酚羥基含量上升，羥基、甲氧基含量下降。二是環保處理造紙黑液，主要是氧化降解，目前氧化降解方法有氧化氨解［26］、熱化學降解［27］、高溫堿液空氣氧化降解［19］、電化學降解［28－29］等。近年研發的電化學降解法可在較溫和的條件下降解木質素，成為低分子量的有用物質，但是用電化學法降解木質素效率很低，主要原因是電極效率低。近來，各國學者在電極的種類和反應條件上進行了一些改進，選擇好的電極材料，成本低，耐腐蝕，有較高的析氧電位。Utley等［21］以鎳為陽極，鉛為陰極，由于電位高，降解產物的產量可達20% ～36%，高出一般方法15% ～20%。涂賓等［30］進行了木質素磺酸鈉電化學降解研究，以PbO2膜電極電化學降解過程中降解和縮合是相伴進行的，低分子質量級分的含量隨時間增加而增加，羥基含量隨時間增加而減少，其他官能團如羧基和醛基則是先增加后減少，經反應后木質素磺酸鹽的表面活性提高了。Pardin等［31］用特制鎳網陽極電化學反應池，在1.5 mol·L－1NaOH溶液中150～160℃條件下，研究木質素模型物的電化學氧化降解，結果產生了數種降解產物。楊衛東等用PbO［32］2作為陽極，不銹鋼網作陰極，將1.5%木質素磺酸鈣溶于1 mol·L－1NaOH溶液進行電解，分離出6種單酚基降解產物。另外有些學者也改進了木質素化學降解的技術，如陳云平等，以固體超強酸為催化劑，過氧化氫為氧化劑降解了高沸醇竹子木質素得到了對羥基苯甲醛、香草醛、紫丁香醛、苯甲酸等有用化學單體［33］，鄧海波等利用溶膠-凝膠法制備了鈣鈦礦型復合氧化物LaFeO3催化劑，進行了木質素濕法氧化合成芳香醛的研究，結果表明該方法能明顯提高木質素的轉化率以及各芳香醛的產率［34］。

2.2 木質素生物降解

參于木質纖維素降解的微生物有真菌、放線菌和細菌，很多微生物都沒有獨立降解木質纖維的能力，只有白腐菌一類能夠獨立降解木質素。參與木質素降解的酶類主要有木質素過氧化物酶 (LiPs.EC 1.11.1.7)、錳過氧化物酶 (MnPsEC 1.11.1.7)和漆酶 (EC 1.10.3.2)，其中LiPs是最主要的降解酶。根據近來的研究［35－39］，這3種酶氧化降解木質素的連鎖步驟大致是:LiPs以低濃度的H2O2為氧化劑，通過1個雙電子氧化步驟和2個單電子還原步驟，使非酚型木質素分子氧化成陽離子游離基，游離基再進行一系列非酶反應導致脂肪族側鏈和芳香環斷裂。MnPs在 H2O2存在時氧化酚型木質素分子，并保護MnP反應活性不受自由基的破環，MnP在一種螯合劑存在情況下催化芳香基奪取質子的反應。漆酶催化酚型木質素及其同型物發生單電子氧化反應，產生苯氧自由基，最后傳遞給氧，苯氧自由基間發生非酶反應如脫甲氧基、脫羧基和C-C鏈斷裂，最后木質素大分子解裂為單體。由于漆酶催化反應不需要過氧化氫參與，一般認為漆酶催化反應是木質素降解的啟動步驟。在上述3種氧化酶降解木質素過程中，藜蘆醇 (VA)是重要的調控因子，加入外源VA時木質素生物降解提早起動，降解速率增加，VA控制H2O2濃度，保護酶不至失活，同時還起到電子轉移介體的作用。

2.3 木質素降解新方法

近來研究和發展起來的新方法電－酶降解方法(EEM，electroenzymatic method)為降解木質素獲取中間化合物，生產化學品，開辟了新途徑。EEM在水質凈化、廢水處理、消除有機物等環保方面已顯示出相當大的應用潛力［40－44］。電化學降解和酶降解是對環境友好的兩個方法，把這2個方法結合起來，是綠色化學工業的重要組成部分。

EEM是增強酶降解的重要方法，在H2O2存在情況下，LiPs有許多底物，它能催化氧化許多結構復雜的分子，EEM用于在陰極產生的過氧化氫，接著發生酶促反應，反應器中裝置離子交換膜，使陽極和陰極有各自的氧化還原環境，這就避免了陽極過氧化氫使酶失活，辣根過氧化物酶利用電化學在原位產生過氧化氫氧化分解 TNT(三硝基甲苯)，清除 TNT效果遠優于化學法或生物法，在EEM中過氧化氫得以充分利用。同樣原理，利用EEM用LiPs利用電極原位產生過氧化氫為底物，氧化降解木質素也會有一定的效果，利用EEM降解木質素是一條值得深入探討的新方法，通過下述反應模式降解木質素，調節和控制各種反應條件和參數，有望獲得各種各樣的產物。美國專利 (4，786，382)［45］在100℃的堿溶液中的電化氧化獲得低分子量產物達到18%，Lee［46］等利用電酶氧化法在電酶反應器完成了藜蘆醇向藜蘆醛的轉化。

3 展望

木質素是植物體生長發育過程中經由苯丙烷代謝途徑合成的，苯丙氨酸/酪氨酸經由肉桂酸-咖啡酸-芥子酸生成松柏醇、芥子醇等和其衍生物形成木質素前體物，再經脫H聚合生成不同類型的木質素，這些中間產物及其衍生物都是十分珍貴的化合物，而且大都有生理活性，可廣泛的應用于食品、醫藥和化工。通過研究降解木質素聚合物，獲取各種降解產物及其衍生物，生產化學品，在最大程度上開發利用木質素，可以開拓綠色化工的新領域。目前制漿工業排放的廢液中木質素是主要廢棄物，也是主要污染物，回收利用率就其總量而言是微不足道的，任其廢棄不僅污染環境，也影響自然界碳素循環速率，因此開發利用木質素具有極大的戰略意義。

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