木聚糖以及它与成长细胞壁的其他组份的相互作用

Yong Bum Park and Daniel J. Cosgrove*

Department of Biology, 208 Mueller Laboratory, Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA

*Corresponding author: E-mail, dcosgrove@psu.edu; Fax, 1-814-865-9131.

(Received November 18, 2014; Accepted December 3, 2014)

摘要：木葡聚糖的发现和纤维素紧密结合的能力已经主宰了我们对初生壁思考结构及其对细胞增大的机制持续了40年。基因的发现使我们在以往对木葡聚糖合成理解的十年中，同时新的意想不到的结果表明，与通常相比在细胞壁结构和细胞壁木葡聚糖的可扩展性作用更微妙。木葡聚糖合成的基因缺失并不很大禁用细胞壁的功能。核磁共振研究表明果胶，而不是木葡聚糖，使广大纤维素表面的接触。木聚糖结合可能是选择性的特定的（疏水）纤维素微纤丝表面，其结构是比通常细胞壁更复杂。内切葡聚糖酶的行动挑战的生物力学评估木葡聚糖束缚的概念。该机制是重要木葡聚糖被限制为次要组分这似乎是在密切与有限的交织纤维素直接微纤丝的网站（“生物力学热点”）联系;这些可以是细胞壁松动的选择性位点通过扩展蛋白。这些发现表明，细胞壁可扩展性小于聚合物的散装粘弹性的一个问题和更多在特定和有限的位点滑移和微纤维分离的选择性控制的问题。

关键词：生物力学的热点？纤维素微？细胞壁松动？内切葡聚糖酶？膨大？果胶。

缩写：AFM，原子力显微镜; CEG，纤维素具体的内切葡聚糖酶; CSLC，纤维素酶，如C;CX EG，纤维素和木葡聚糖水解内切葡聚糖酶;EM，电子显微镜; GPC凝胶渗透色谱;NMR，核磁共振; SEC-商场，大小排阻色谱加上多角激光光散射; SSNMR，固态核磁共振; XEC，木葡聚糖具体内切葡聚糖酶; XTH，木葡聚糖内切性转/水解酶。

介绍

木葡聚糖最初被确定为从金莲花，罗望子和其他种子（Kooiman 1957年）中作为种子贮藏多糖，后来由于细胞外多糖梧桐细胞悬浮培养(Aspinall 等， 1969年, Bauer等， 1973年)，此后不久作为许多物种的主要细胞壁成分（Hayashi 1989年）。该木葡聚糖在细胞壁扩展的控制中发挥中心作用的概念起源与由Albersheim组悬铃木细胞悬浮培养物的细胞壁的开拓性的分子模型（Keegstra等，1973年）和发现在豌豆胚轴生长素诱导的生长伴随着木葡聚糖代谢的增加（Labavitch和Ray 1974年）。对于木葡聚糖结合纤维素的进一步证据（Hayashi和Maclachlan 1984年），和用于生长素诱导变化木葡聚糖尺寸（Nishitani和Masuda 1983 年，Talbott和Ray 1992年），木葡聚糖作为凝成焦元在几十年的细胞壁结构和增长中被讨论。该纤维素/木葡聚糖网络中的木葡聚糖交联的酶催化修饰是必需的初级细胞壁的生长和发展“观点（Pauly等，1999年）成为在细胞壁领域几乎不言自明的超过二十年。因此，拟南芥突变体，缺乏木葡聚糖，然而却显示只有轻微增长表型的报告都令人震撼的细胞壁研究者（Cavalier等，2008年）。本报告中，与当前模型的一些其他结果相结合，使我们和其他一些研究人员重新考虑初级细胞壁的结构和木葡聚糖在细胞壁延伸性中的作用。

在40年间，因为木聚糖来到被视为一个控制细胞壁可扩展性不可或缺的组成部分，与纤维素和其他细胞壁成分如何相互作用木葡聚糖的概念已经有了相当大的发展。原假设制成共价连接的结构域组成的大分子基质的木葡聚糖，果胶和结构蛋白（Keegstra等，1973年）替换为较简单的栓网络模型（Hayashi 1989年，Carpita和Gibeaut 1993年， Nishitani1998年，Cosgrove 2001年）其中强调直接涂覆和圈养由木葡聚糖纤维素作为关键结构决定因素细胞壁可扩展性。尽管广泛接受这一模式，但模型中的无数个点没有被严格测试，它可能是由于高的机械可扩展性和许多初级细胞壁的灵活性兼容的结构太紧密（Hepworth和Bruce 2004年）。缺乏直接的纤维素，纤维素联系一些替代模式已有建议;例如，Talbott和Ray（1992年b）提出了“multicoat结构，其中纤维素涂覆有紧密结合的木葡聚糖，其涂覆有更松散地保持阿拉伯聚糖/半乳，其被混合以酸性多糖和结构蛋白的胶凝接口; Thompson（2005）建议该细胞壁的可扩展性是通过在空间限制控制通过直接interfibril联系微纤维，而不是运动。这些作者注意到在流行的模式中的重要缺陷，但它们的替代概念已经赢得了不少的支持或跟进。

基于固态核磁共振（NMR）和生物力学的方法最近的结果提出了拴网络模型的正确性的新的疑虑，更普遍的是关于木葡聚糖作用的细胞壁结构和力学意义。与此同时，果胶已经出现了复苏的细胞壁力学讨论的一个重要因素（Zjawinska等，2008年，Palin和Geitmann 2012年，Braybrook和Peaucelle 2013年）。因此，这似乎是一个很好的关头来审查木葡聚糖领域的最新发展，并评估他们的细胞壁结构和可扩展性的影响，以及需要更深入的调查指出领域。

这个观点认为在生长细胞壁的共同模型（或者更正确地，描绘）的环境中木葡聚糖的功能：微纤维素被表示为良好的间距和非接触棒;木葡聚糖涵盖了大部分纤维素表面，防止微纤维之间的直接接触，同时作为微纤丝之间的主要（或唯一）承重绳;细胞壁强度与相邻的微纤维和细胞壁体松动取决于破裂或移位木聚糖系绳的木聚糖系绳茎。木聚糖功能的概念从大量工作中出现了，有说服力地总结了各种评论（Fry 1989年，Hayashi 1989年，Carpita和Gibeaut 1993年， Cosgrove 2001年）和后来的结果，包括在植物组织中木葡聚糖酶和纤维素酶的转基因表达（Park等，2003年，Hayashi和Kaida 2011）。系留网络是在植物细胞壁的概最常见的描述（Somerville等，2004年， Cosgrove，Burton等，2005年，Scheller和Ulvskov 2010年），但它的许多功能和影响是未经考验的。在这篇文章中，我们强调了一些不经常在生物文献中讨论木聚糖纤维素相互作用的多个物理方面，我们回顾这似乎违背主细胞壁的这些根深蒂固的概念最近的结果，我们建议尽可能的方式解决一些明显的矛盾。

我们首先对木聚糖结构的简要更新和合成，然后总结上的物理结合研究木葡聚糖纤维素，其次是最近的物理，遗传和系留网络模型的生物力学测试。我们不讨论的木葡聚糖在二级细胞壁中的潜在作用（Mellerowicz等，2008年，Baba等，2009年，Hayashi和Kaida 2011年，Nishikubo等， 2011年）。

木葡聚糖的结构，规模，多样性和形态

木葡聚糖包括可变长度和侧链格局多糖的异构集合。他们不是在陆地植物细胞壁中普遍存在，但它们的量变化很大。在许多双子叶植物，木葡聚糖构成生长细胞壁的主要的半纤维素的方法，包括thedrymass初级细胞壁的约20％（Fry 1989年，Hayashi 1989 Schultink等2014年），但木葡聚糖含量可以低至2％（Thimm等，2002年）。草，但在单子叶植物中不一般具有降低木葡聚糖含量;其主细胞壁的大约5％的值是草典型，但值高达10％以上发生（Carpita 1996年， Gibeaut等，2005年）。木葡聚糖由一个B-（1,4）-D-葡聚糖主链是准定期地被一个-D-木糖基残基联通过所述O-6位为葡萄糖（图1A，B）。在许多物种中，主链具有三个取代的葡萄糖单元后跟一个未取代的葡萄糖残基的规律。替换是在某些类群那么频繁。例如，只有约40％的葡萄糖残基的被取代在番茄和其他物种的茄科（Ring和Selvendran1981年，York等，1996年），而从草细胞壁木葡聚糖具有30-40％的取代（Hsieh和Harris 2009年）。

所述木糖基残基可以是B-（1,2）带有一个D半乳糖残基可被一个L-fucosyl残基被另外alpha;-（1,2）相连;其他侧链模式也被记录（Schultink等，2014年，Tuomivaara等，2015）。简明命名法被用作速记侧链结构（图1D）。诊断上有用的内切葡聚糖酶在未取代的位置切木葡聚糖骨架选择性，生产和在具有三个木糖骨架通常由四个葡萄糖残基的低聚糖的混合物，半乳糖和岩藻糖取代基的较小的数字。这些低聚糖是由脉冲安培检测或飞行质谱，已被改编为敏感和快速的木葡聚糖分析（Gunl等，2011年，Tuomivaara等的基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱高性能离子交换层析易于识别人2015年）。

在许多双子叶植物，最常见的寡糖产生由木葡聚糖内切葡聚糖酶的消化是Glc4低聚糖指定XXXG，XXFG，XXLG和XLFG，但无数种依赖和器官依赖性变化在侧链图案都记载（Schultink

等，2014年，Tuomivaara等，2015年）。例如，半乳糖经常被阿拉伯糖在茄科番茄的木葡聚糖和其它物种取代（Ring和Selvendran 1981年，Hoffman等，2005年），而半乳糖醛酸部分地取代半乳糖一个不寻常的酸性木葡聚糖在拟南芥根毛最近确定（Pena等，2012年）。在草本植物中，木葡聚糖侧链一般不会延长到木糖;后内切葡聚糖酶消化，最常见的寡糖是XXGG和XXGGG。因此，对于木葡聚糖的限位结构是葡聚糖骨干与O-6-连接的木糖侧链，但进一步的替代和糖身份的程度差异很大。如下面所讨论的，侧链可能影响与纤维素和细胞壁的可能的其它组分的相互作用，但这种相互作用是否在木葡聚糖的生物变异发挥显著官能作用并不在该点完全清楚。

XYG的另一个显着特点是O型乙酰化，这是经常被忽视的，因为酯键是通常用于从细胞壁中提取木葡聚糖的强碱性条件下破碎。在拟南芥和其他许多双子叶植物，XYG的O型乙酰化是在O-3或O-2职位（Kiefer等，1989年），主要发现半乳糖残留物。与此相反，在草木葡聚糖（禾本科）并且其中所述葡聚糖主链是在O-6乙酰茄科，实际上用乙酰基取代的木糖侧链（Gibeaut等，2005年，Jia等，2005年）。在从苹果果肉或罗望子籽木葡聚糖（Sims等，1998年）未检测出乙酰化，表明在该结构特征的生物变异。半乳糖的乙酰化是不是在拟南芥中必不可少的，作为至少一种生态型缺乏它，但它可能有助于病原体抗性（Manabe，2011年，Gille和Pauly 2012年）。在禾本科和茄科的木葡聚糖取代的葡萄糖残基的乙酰化改进了木葡聚糖的溶解性，并防止在具有相对低的取代这些木葡聚糖变体（Sims等，1998年）的自联和聚集。有人可能会推测，草木葡聚糖结合更紧密纤维素比其他植物类群（见下文）的更高取代木葡聚糖，但这个问题显然没有被仔细地检查。

链长

从初级细胞壁木葡聚糖发表大小估计主要是基于凝胶渗透色谱（GPC;也称为凝胶过滤色谱法或大小排阻色谱法）。为相对分子质量（M r）的峰值相差很大，从9kDa到gt;900 kDa的，与在100-300 kDa的范围最估计;此外，木葡聚糖据报道，经过在各种条件下（Nishitani和Masuda 1983年，Talbott和Ray 1992，Talbott和Pickard 1994年，Thompson和Fry 1997年）下Mr为迅速变化。存储木葡聚糖，即，从罗望子，金莲花等种子，都特别大，据报道，超过1,000kDa（Lima等，2004年）。最小的值（9kDa）（Talbott 和Ray 1992a）对应的28个葡萄糖残基（14nm以下），而900kDa对应2800个葡萄糖残基（1,400nm）的主链的长度。这峰值100倍的范围是认为在细胞壁结构和力学中央结构性作用细胞壁上组件真正了不起的。

根据GPC链长度的估计，必须谨慎，因为它们是与构象，流体力学半径和聚集的聚合物的敏感，以及对与列矩阵和其他潜在影响的相互作用被认为。而且，碘染色，这是用来量化木葡聚糖，可偏置的结果向大尺寸，因为它是不敏感的木葡聚糖lt;10-20 kDa的（Ray 1989年，ONeill和York 2003年）。 GPC柱通常校准，右旋糖酐具有从木葡聚糖不同构象的行为[A-1,6-葡聚糖ETH;用5％的alpha;-（1,3）葡萄糖替代骨干网]，有可能引入在Mr为大型高估。这个问题通常是公认的（Talbott和Ray1992年b，Gaborieau和Castignolles 2011年，Kohnken等2011）和上述兼并R数据最好的解释是相对的而不是绝对的大小。再加上多角度激光光散射（SEC-MALLS）尺寸排阻色谱法可提供聚合物大小（Harding 2005年）的更好的估计，但这种方法很少被用于从初级细胞壁木葡聚糖。

链长估计的问题赏析根据GPC单独可从小麦的研究来获得阿拉伯木聚糖被部分地阿拉伯糖苷酶消化去除一些侧链但离开骨干完整。聚合物的流体动力学半径从收缩24纳米至9纳米，未取代的主链的百分比残留物从63％提高到84％（Kohnke等，2011年）。运用用于校准葡聚糖（Armstrong等，2004年），一个将估计这些在聚合物长度的10倍的降低值，但在这种情况下的差别主要是由于结构，因为阿拉伯糖去除仅降低11％的分子量。用更少的替代聚合物假设一个更紧凑的构象;为聚集主链可以具有较小尺寸作出了贡献。在这种情况下木葡聚糖的构象可以与取代程度而异，侧链和乙酰化模式的长度;木葡聚糖也可以在提取期间修改和可经

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