木质素是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的一类高分子物质，它与纤维素、半纤维素一起，形成植物骨架的主要成分，在数量上仅次于纤维素^[1]。在细胞壁的木质化过程中，木质素增强了植物细胞壁的韧性和强度，维持了细胞壁的结构完整性。此外，植物体内木质素的含量、构成木质素单体的含量和种类对于植物的抗倒伏、抗病和抗逆性起到了举足轻重的作用^[2]。但是，过高的木质素含量不仅影响了造纸工艺和纸张质量，而且也影响了牲畜对于饲草的消化和营养的吸收利用。因此，研究木质素在植物体内的生物合成路径具有重要意义。

木质素的生物合成分为两步。第一步是木质素单体合成，它是以苯丙酸为底物，经过一系列羟基化、甲基化、连接、还原等生成松柏醇、香豆醇及芥子醇；第二步这些单体被转运到木质化沉积位点，经脱氢聚合形成木质素^{[3, 4]}。

目前，研究人员大多认为木质素单体合成途径分为三个步骤：第一步是植物的光合作用产物到苯丙氨酸等形成途径，为莽草酸途径；第二步是从苯丙氨酸到羟基肉桂酸及其辅酶A酯类，为苯丙酮酸途径；最后一步是羟基肉桂基辅酶A酯类到合成木质素过程，为木质素合成的特异途径^[5] (图 1)。在这些单体的合成过程中涉及了许多酶的参与,而CCR和CAD是该过程的2个关键酶，其合成过程中的3种羟基桂酸的辅酶A酯在CCR的催化下生成相应的肉桂醛。CCR是催化木质素特异合成途径的一个关键酶，同时也是一个重要的限速酶^[6]。

图 1 木质素单体的生物合成途径 Fig. 1 Biosynthesis pathway of lignin monomers

图选项

本文综述了CCR的酶学特征、CCR基因克隆、CCR基因在植物组织中的表达情况、以及该基因的应用潜力。

CCR的分子量一般在30kDa以上，不同作物略有差异。拟南芥的AtCCR1 分子量为37.5kDa，等电点为6.1，AtCCR2 分子量为36.6kDa，等电点为6.09^[7]。柠条锦鸡儿的CkCCR分子量为36.76kDa，等电点为6.69^[8]。

CCR酶的活性受pH、 反应产物、金属螯合物及有机物的影响。杨树CCR 在缓冲液中的最适pH 值为6.0 ~ 6.5^[9]。反应产物NADP⁺能够反馈性地抑制大豆CCR的活性^[10]。金属螯合物1,10-菲罗啉(1,10-phenanthroline) 也能不可逆地抑制白杨等植物的CCR的酶活。N-乙基顺丁烯二酰亚胺(NEM)及4-氯汞基苯甲酸盐(pCMB)等能与巯基反应的有机物可以不同程度地抑制CCR的活性^[11]。

自从在水稻中克隆出CCR基因以来，到目前克隆了21种植物的CCR基因。其中单子叶植物8种，双子叶植物12种，裸子植物1种。从目前克隆的植物CCR基因来看，CCR1主要与木质素的合成有关，而CCR2主要与植物的抗逆性有关。例如，玉米ZmCCR1与木质素合成有关，ZmCCR2与抗干旱有关；柳枝稷pvCCR1与木质素合成有关，pvCCR2与抗锈病有关。但在一些植物内CCR基因既与木质素的合成有关又和抗逆性有关，例如柠条锦鸡儿的CkCCR基因既与木质素合成有关，又和抗旱有关；丹参SmCCR-2基因既与木质素合成有关，又与抗病有关(表 1)^{[12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]}。

CCR1基因在植物组织中的表达部位主要集中在木质化程度高的部位。例如，玉米的ZmCCR1基因在茎的上部节间和基部节间表达量很高；小麦中的TaCCR1基因在小麦茎的表达量最高;Escamilla-TreviñoLL研究发现柳枝稷PvCCR1基因在基部节间的表达量最高，尤其在第一节间，几乎是PvCCR2基因的200倍。因此CCR1基因的表达模式表明它是与木质素合成有关，这与其功能也一致。

在模拟逆境条件下，CCR2基因在植物体内的表达部位有差异。Ling Fan等研究玉米根系在水分胁迫的条件下，ZmCCR2基因在根中表达有所上升。柳枝稷在锈病的作用下，PvCCR2在叶片中表达量非常大。拟南芥在水稻白叶枯病菌的作用下，AtCCR2基因在叶片中的表达强烈，同时也检测到叶片中产生大量与抗病有关系的酚类物质。这也从侧面反映出CCR2基因的表达模式，表明它与植物的抗逆性有关。

抗逆和抗病育种是现代育种的一个重要方向，Dixon等^[32]研究结果表明植物细胞壁木质化不仅能提高植物体机械支持强度，还在植物抗病虫害及抗逆性等方面起作用。例如，Lauvergeat等^[33]研究了拟南芥中的CCR基因时，他们发现木质化对植物具有保护作用，它能干扰病菌进入植物体内。同时拟南芥的AtCCR2出现在被细菌感染的叶片中，或许表明它具有抗病的功能，但拟南芥的AtCCR2也可能不参与木质素的形成，而是涉及酚类化合物(如植物抗毒素)的合成并参与抗病。研究人员利用聚乙二醇6000对玉米进行水分胁迫处理，发现ZmCCR2基因在玉米根部表达量上升，同时玉米根部细胞壁也产生大量的酚类物质,这就说明在模拟干旱环境下，玉米根部所产生的一切变化都有助于玉米适应干旱环境。陈刚等^[34]对不同抗白粉病南瓜品种接种白粉菌后，发现高抗品种叶片中CCR基因的表达量增大，并且表达时间变长，这说明CCR基因与南瓜的抗病性密切相关。Hyun等^[35]对大豆的 CCR 基因(GmCCR)进行了研究，认为 GmCCR与大豆抵抗非生物胁迫的机制有关。因此他们的研究为利用CCR基因在抗病虫害及抗逆有关的育种应用提供了可能。

饲用作物中的木质素含量与其消化率直接相关，降低木质素合成过程中的相关基因表达,能够降低木质素的合成。Guo等^[36]把野生型的苜蓿与咖啡酰甲基转移酶(CCoAOMT)和咖啡酸甲基转移酶(COMT)缺陷的苜蓿对比，发现在咖啡酰甲基转移酶(CCoAOMT)和咖啡酸甲基转移酶(COMT)缺陷的苜蓿中，其木质素下降了20%，并且纤维素的含量增加了30%。同时，转基因苜蓿的木质素结构和成分也发生了变化，该变化提高牲畜对于茎的消化率。胡可等^[37]获得了9株黑麦草CCR基因干扰株系，这些植株中木质素含量平均降低了34.67%，该变化提高了牲畜对黑麦草的消化和营养的吸收。CCR是木质素特异单体合成路径中的一个关键酶，利用基因工程改变植物细胞壁的总木质素含量和木质素单体的组成比例，从而提高饲用作物消化性和适口性，同时也提高饲用作物的产量与品质，使各种放牧家畜的自由采食量大大增加^[38]。这为提高饲用作物的饲用品质育种提供了一个新的发展方向。

能源危机是当今世界面临的巨大危机，基于可持续发展的原则，人们普遍认为以能源植物为主的生物质能将是人类未来的理想选择^{[39, 40]}。能源植物指的是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部，因其具有绿色洁净、可再生及分布广的特点，使其能够替代石油、天然气等成为未来的主要能源资源^{[41, 42]}。

利用淀粉类作物生成能源的成本太高，而像柳枝稷、杨树及芒草等这些富含纤维的能源植物则是非常好的选择，但在生成生物柴油的过程中，植物细胞壁中的木质素极大地阻碍了合成效率。研究人员发现在降低CAD表达水平的转基因和突变体的柳枝稷与玉米中，木质素含量和结构不但发生了变化，而且柳枝稷生成糖的效率和玉米生成酒精的产量也提高了^{[43, 44, 45]}。Chen等^[46]通过下调紫花苜蓿中CCR基因的表达水平，发现降低木质素含量可以增加生物质糖化水解效率，进而增加酒精产量。在杨树中，降低CCR的活动提高了161%的乙醇产量^[47]。所以，除了在杨树中，改变CCR在其他能源植物中的表达量与改变CAD一样，也可以提高生物能源的生成效率。因此，CCR基因在提高生物质能源的生成效率上将大有可为。

木质素是植物体内数量仅次于纤维素的有机物，但在造纸过程中却是主要的污染来源，造纸工业每年大约可产生5000万吨的木质素称之为“黑液”，其绝大部分直接排入河流或焚烧，造成了严重的环境污染^[48]。近年来的研究发现，降低CCR基因的表达量可显著地降低木质素的含量及其单体的比例。在转基因杨树中，CCR表达量的下降可导致杨树中木质素含量降低50%，S型木质素比G型木质素降低更多，而且发现四年生的转基因杨树更适合造纸^[49]。同样，挪威云杉中CCR表达量下降也可降低其木质素含量。在这些转基因植物中，降低CCR可以得到理想的制浆效果。因而，利用转基因技术降低造纸植物的木质素含量，能够减轻造纸工业对环境的污染。

致谢 感谢安徽科技学院大学生创新课题(项目编号：15XSZ17)和安徽科技学院作物学重点学科(项目编号：AKZDXK2015A03)的支持。