Abstract
La cellulosa è il componente strutturale più significativo della parete cellulare vegetale. La cellulosa, polisaccaride contenente ripetute unità di β (1-4) D-glucosio non ramificate, viene sintetizzata sulla membrana plasmatica dal complesso di cellulosa sintasi (CSC) dai batteri alle piante. Il CSC è coinvolto nella biosintesi delle microfibrille cellulosiche contenenti 18 proteine della cellulosa sintasi (CesA). Le macrofibrille possono essere formate con disposizione affiancata di microfibrille., Inoltre, oltre a CesA, varie proteine come KORRIGAN, saccarosio sintasi, componenti citoscheletrici e proteine simili a COBRA sono state coinvolte nella biosintesi della cellulosa. Comprendere i meccanismi della biosintesi della cellulosa è di grande importanza non solo per migliorare la produzione di legno in alberi forestali economicamente importanti per l’umanità, ma anche per lo sviluppo delle piante. Questo articolo di recensione copre le attuali conoscenze sulla famiglia genica correlata alla biosintesi della cellulosa.
1., Introduzione
La parete cellulare vegetale è richiesta non solo per la struttura per determinare la forma effettiva delle cellule e le proprietà funzionali per controllare la comunicazione cellulare interna ed esterna, ma anche per la crescita complessiva e l’espansione dell’albero. La cellulosa è il componente più significativo delle pareti cellulari delle piante. A causa dell’enorme aspetto economico benefico della cellulosa arborea per carta, legname, polpa e prodotti industriali, comprendere il meccanismo della biosintesi della cellulosa è un obiettivo di ricerca prezioso.
2., Caratteristiche molecolari della cellulosa
La cellulosa è un polimero di glucosio (C6H12O6), rotazione di 180° di una molecola di glucosio rispetto al glucosio successivo per formare residui legati a β (1-4), chiamati cellobiosio (C12H22O11). La catena di cellulosa è costituita da un’unità ripetuta di cellobiosio . La cellulosa è sintetizzata dagli enzimi della sintasi della cellulosa (CESAS) . Le pareti cellulari sono costituite da tre tipi di strati. La lamella media si forma durante la divisione cellulare come primo strato., La parete cellulare è a base di microfibril; la parete cellulare primaria (Pcw) si forma dopo la lamella centrale, ma la parete cellulare secondaria (Scw) si forma dopo il completamento dell’allargamento cellulare. La parete secondaria è spesso stratificata su S1, S2 e S3 (strati esterni, medi e interni, risp.) che variano nell’orientamento delle microfibrille. S2 è lo strato più spesso con eliche ripide di microfibrille, mentre S1 e S3 sono disposti in pendenza fibrillare piatta . Tutti gli strati della parete cellulare sono costituiti da fasi microfibrillari e matrici., Le microfibrille hanno un nucleo cristallino e un lato esterno meno cristallino, ma la matrice è una fase non cristallina che contiene pectine ed emicellulosi, lignina e altri polimeri . I sei polimorfi cristallini di cellulosa, vale a dire, I, II, , , , e , sono stati conosciuti. La cellulosa I e la cellulosa II sono le forme più comuni di cellulosa, mentre altre non sono ancora note per esistere liberamente in natura. La cellulosa I o cellulosa nativa ha due suballomorfi Ia e Iß. Entrambi si trovano in piante superiori . I legami idrogeno intramolecolari sono responsabili della rigidità e della stabilità della cellulosa., Microfibrille di cellulosa I che hanno forti legami idrogeno intra-e interchain che rendono le strutture di cellulosa I e II corrono parallele e antiparallele all’asse lungo, rispettivamente . Il grado di polimerizzazione (DP) è diverso in Pcw e Scw che rappresentano le unità monomeriche in ciascuna catena di cellulosa che mostra DP basso, 2000-6000 per la parete cellulare primaria e DP alto, 14000 nella parete cellulare secondaria .
3. Storia e posizione cromosomica di CesA
Il CesA è stato inizialmente identificato nel batterio Gram-negativo Acetobacter xylinus ., Nel 1996, le proteine vegetali di CesA sono state riconosciute per la prima volta in EST isolate dal cotone in base all’omogeneità della sequenza a CESA batterica . Le proteine CesA sono state localizzate sulla membrana plasmatica. Il genoma Arabidopsis ospita una grande famiglia di geni della biosintesi della cellulosa, dieci geni CesA (CesA1–10) e 29 geni Csl che codificano geni simili alla cellulosa sintasi . L’analisi dell’espressione di Arabidopsis ha rivelato che i geni CesA sono espressi nella maggior parte degli organi vegetali con alcune differenze a livello tissutale .
4., Caratteristiche strutturali di CesA
La gamma differente dei geni e degli amminoacidi di CesA di dimensione in Arabidopsis è 3.5-5.5 kb e 985-1088, rispettivamente . CesA è rilevante per l’enzima della famiglia 2 (GT-2) della glicosiltransferasi legata alla membrana . La glicosiltransferasi è situata sul dominio citoplasmatico tra due insiemi di dominio transmembrana. Otto TMD sono identificati nella proteina CesA vegetale, TM1-2 verso N–terminale e TM3-8 verso C-terminale. Questi TMDs sono suggeriti per formare un poro attraverso la membrana interna per incorporare la secrezione della catena della cellulosa attraverso la parete cellulare ., Nella regione conservata, D, D, D, QXXRW, i primi due residui di ASP(D) aiutano a coordinare il difosfato di uridina, mentre la terza D è la base catalitica e il motivo QXXRW (Q è glutammina, R è arginina, W è triptofano e X è qualsiasi amminoacido) (Figura 1) aiuta a formare un sito di legame per il disaccaride terminale della catena glucanica in crescita ., Esiste una struttura specifica extra proteica solo nelle piante che consistono in due regioni (A, B) nel dominio GT: (A) domini altamente conservati che sono stati denominati regione conservata specifica per pianta (P-CR) e (B) regione conservata specifica e regione ipervariabile (HVR) che sono state chiamate regione specifica di classe (CSR) insieme che si trovano nella parte centrale di GT (Figura 1). Sethaphong et al. notato gli assiemi hexamer e tetramers CesA sono possibili ruolo di sottodomini specifici dell’impianto e il CSR ha evidenziato il ruolo per dimeri e assemblaggio trimmer.,
Un confronto tra batterici e di pianta CesAs mostra una regione N-terminale contiene 12 aminoacidi e 208 aminoacidi a lungo nel C-terminale di BcsA, mentre la pianta CesAs brevi 17-21 aminoacidi a lungo nel C-terminale e 160-260 aminoacidi a lungo nella regione N-terminale con il dito di zinco; 50 amminoacidi è lungo si stabilirono in questa regione . Kurek et al., nel 2002 ha proposto che il dominio di legame dello zinco N-terminale partecipi all’interazione proteica per l’assemblaggio di rosette in cotone; due domini di dita di zinco GhCesA1 e GhCesA2 hanno dimostrato di interagire tra loro per regolare l’assemblaggio di CesA attraverso la dimerizzazione tramite legami disolfuro intermolecolari in condizioni ossidative .
5. I modelli CSC
Già nel 1972, i complessi di cellulosa sintasi erano visualizzati al microscopio elettronico . Poiché CSCs sono stati attaccati alla fine delle microfibrille e sono stati osservati in tre righe ordinate particelle in alga Oocystis apiculata, così Brown Jr., e Montezinos li ha chiamati il complesso terminale lineare (TC) per la prima volta. Quattro anni dopo, non solo la connessione tra la rosetta e la TC per sintetizzare le microfibrille nelle piante superiori è stata descritta per la prima volta da freeze fracture, ma anche una diversa forma di siti di sintesi della cellulosa è stata trovata come hexamericic rosetta TCs. Le misurazioni suggeriscono che la rosetta ha un diametro, contenente sei particelle con ciascuna di esse che ha sei polipeptidi di cellulosa sintasi per polimerizzare sei catene di glucano ., La sintasi della cellulosa utilizza il glucoside del sitosterolo che è sintetizzato da UDP-glucosio come substrato alla microfibril di sintesi . Ding e Himmel hanno proposto il modello in microfibra di cellulosa contenente 36 catene di glucosio che è composto da catene sia cristalline che non cristalline utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM) di visualizzazione diretta del gambo di mais. Negli studi sulla parete cellulare primaria, ad eccezione del modello a 36 catene, sono stati descritti due modelli alternativi che si applicano alle strutture di CSC contenenti i modelli a 24 e 18 catene., I modelli a 24 catene (otto fogli a tre catene), tre polipeptidi CesA, formano una particella e otto particelle formano una rosetta con superfici di disturbo conformazionale piuttosto che disturbi di imballaggio. I modelli di microfibrille gemellate a 18 catene (sei fogli a tre catene) descrivevano la rosetta con sei particelle di tre polipeptidi di cellulosa sintasi. Poiché l’area della sezione trasversale delle microfibrille a 36 catene era evidentemente più grande della microfibrilla della parete primaria, questo modello era poco adatto ai dati sperimentali. Ma il modello di microfibrille a 18 catene ha mostrato buone misure ai dati sperimentali ., Si ritiene che i TCS della rosetta siano assemblati da più CesA nel Golgi e quindi trasportati alla membrana plasmatica in forma attiva alla sintesi della cellulosa da vescicole citoplasmatiche che sono chiamate SMACC (piccoli compartimenti CesA) o MASCs (compartimenti sintasi della cellulosa associati ai microtubuli), ma poi questi piccoli compartimenti hanno un’operazione nel riciclaggio delle proteine CesA dalla membrana plasmatica . Le catene multiple del glucano possono essere sintetizzate dai geni multipli della sintasi della cellulosa in ogni TC . La rosetta partecipa sia alla polimerizzazione della catena del glucano che alla cristallizzazione .
6., Geni batterici e arabidopsis che codificano le proteine del complesso di cellulosa sintasi
Il complesso di cellulosa sintasi batterica (Bcs) operon codifica quattro geni, BcsA, B, C e Z. L’attività Bcs A, B e C è necessaria per la sintesi e la traslocazione del polisaccaride; BcsZ codifica una cellulasi per la produzione di cellulosa . Il recente studio sui geni dell’operone della cellulosa sintasi (bcsABZC) delle specie di Cronobacter ha confermato il ruolo particolare dei mutanti bcsA e bcsB nella produzione di cellulosa e ha mostrato il coinvolgimento nella formazione di biofilm e nell’aggregazione cellulare ., La sintesi della cellulosa nelle piante avviene nel contesto di rosette più di fila TCS contenente più fasi, inizio della catena β-1,4-glucano, allungamento e terminazione. Omadjela et al. descritto che non è necessario un primer per l’iniziazione della catena e non è necessario aggiungere altre fonti di energia all’assemblaggio di singole catene in una struttura di ordine superiore per la sintesi della cellulosa nelle piante perché la polimerizzazione di UDP-glucosio (intervallo DP: 200-300) fornisce energia per la crescita della catena di cellulosa attraverso il poro della membrana., L’espressione di diversi geni in Arabidopsis ha dimostrato che AtCesA4, AtCesA7 e AtCesA8 sono necessari per creare la parete cellulare secondaria, mentre AtCesA1, AtCesA3 e AtCesA6 partecipano alla biosintesi della cellulosa della parete cellulare primaria . AtCesA2, AtCesA5 e AtCesA9 sembrano essere parzialmente ridondanti con AtCesA6 . Non è stato assegnato un ruolo preciso ad AtCesA10 .,immissione di triptofano con un codone di stop in posizione 859 e codone di stop in posizione 263 sostituzione di un glutammina, rispettivamente (vedere Tabella 1); osservazione di crollata xilema cellule derivanti dalla mutazione in Exigua (exi) geni, che sono stati associati a tre cellulosa sintasi subunità CesA4, CesA7, e CesA8, conduce a bloccare il trasporto di acqua e ridotta di cellule allargamento successivamente una maggiore tolleranza a stress osmotico che colpisce la parete cellulare secondaria di deposizione ; Mur10 mutanti alterato principale della parete cellulare carboidrati composizione in risposta a cellula secondaria difetti della parete a causa di una mutazione nel CesA7 locus ., Le mutazioni in CesA8 (lew2) aumentano lo stress da siccità e accumulano ABA nella parete cellulare secondaria . Cicogna et al. ha riportato il ruolo definito per CesA9 nei semi di Arabidopsis; i semi mutanti CesA9 contenevano una riduzione di cellulosa del 25% e nessun cambiamento in altri tessuti. Carroll et al. in un’analisi delle linee transgeniche in Arabidopsis ha dimostrato che CesA7 e CesA1 possono salvare una sorta di carenza nella biosintesi SCW in cesa3 e nella biosintesi PCW in cesa8ko mutante, rispettivamente., IXR1 e IXR2 alleli mutanti sono mutazioni puntiformi nel CesA3 e CesA6 geni che conferiscono isoxaben resistenza ; CesA1aegeus e CesA3ixr1-2 mutanti hanno mostrato notevolmente ridotto cristallinità e aumentato CesA velocità in PM e resistenza a quinoxyphen è stato conferito da CesA1aegeus A903V ; al contrario, la riduzione CSC velocità è stata osservata in anisotropy1 D604N mutazione missenso in CesA1 ; prc1-1 null CesA6 mutante causato carenza di cellulosa con conseguente riduzione dell’allungamento delle cellule, che è stato esaminato in Arabidopsis ., Sorprendentemente, sia la riduzione del contenuto di cellulosa che la risposta allo stress costitutivo sono dovute all’accumulo di JA ed etilene nel mutante cev1 in CesA3 . Lignificazione in cellule non lignificate in eli1-1 e eli1-2 (CesA3) inibisce la sintesi della cellulosa che invoca sovrapproduzione di jasmonato ed etilene . La riduzione dello spessore della parete cellulare primaria e secondaria e il contenuto di cellulosa sono influenzati da una mutazione missense che si è verificata nella fibra fragile 5 (fra5), un mutante dominante di AtCesA7, mentre né lo spessore della parete cellulare né il contenuto di cellulosa sono influenzati nella forma mutante fra6 di AtCesA8 .,tr>
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7. Geni non CesA coinvolti nella biosintesi della cellulosa
È interessante notare che, oltre alle proteine CesA, il KORRIGAN, la saccarosio sintasi (SuSy), i microtubuli e i citoscheletri di actina e le proteine simili a COBRA sono coinvolti indirettamente nella biosintesi della cellulosa (Figura 1). Si pensa che l’membrane-1,4-β-D-glucanasi legata alla membrana (KOR) abbia un ruolo di modifica e monitoraggio nella conversione della catena di glucano in rilascio di microfibrille di cellulosa appena sintetizzate ed eliminando le catene di glucano difettose dall’assemblaggio di microfibrille ., In teoria, la mutazione in KOR può alterare la cristallizzazione delle microfibrille cellulosiche . Liebminger et al. ha detto che l’attivazione di A. thaliana KOR1 dipende dall’utilizzo di otto siti di N-glicosilazione nel dominio extracellulare. PtrKOR1 e GhKOR1 sono coinvolti nella formazione della cellulosa della parete cellulare secondaria in Populus tremuloides, nella cellularizzazione dell’endosperma e nello sviluppo embrionale nel cotone (Gossypium hirsutum) attraverso la soppressione RNAi .,
Il ruolo strategico della saccarosio sintasi associata alla membrana plasmatica (P-SUSY) nello sviluppo di fibre di cotone (Gossypium hirsutum) nel canalizzare UDP-glucosio alla cellulosa sintasi dal saccarosio è stato illustrato per la prima volta nel 1995 ; l’UDP formato da UDP-G può essere riciclato a SUSY (Figura 1)., La mutazione in SUS (1-4) in Arabidopsis mostra meno attività di SuSy in tutte le cellule non nel floema e sorprendentemente non è stata trovata alcuna carenza di cellulosa, mentre i mutanti sus5/sus6 hanno mostrato una riduzione del callosio nello screening delle piastre, ma la crescita delle piante è stata gravemente influenzata dall’invertasi mutante (INV), raccomandando che la catalisi del saccarosio Ma dopo due anni Baroja-Fernández et al. evidenziato il possibile ruolo dell’attività della saccarosio sintasi nella biosintesi della cellulosa in condizioni ottimali di pH 7.0.,
La relazione tra il citoscheletro (microtubuli corticali e actina) e la localizzazione e il movimento del CSC è stato l’argomento nella maggior parte degli studi. MTs sono un altro giocatore chiave nella morfogenesi delle cellule vegetali. Gardiner et al. ha mostrato la colocalizzazione di tutte e tre le proteine AtCesA4 (IRX5), AtCesA7 (IRX3) e AtCesA8 (IRX1) con bande di microtubuli corticali in vasi xilemici in via di sviluppo più vecchi con GFP. Ma i microfilamenti di actina si localizzano con le proteine di CesA nelle regioni di ispessimento della parete cellulare., Il traffico intracellulare e la localizzazione della membrana plasmatica del CSC durante la formazione della parete cellulare secondaria sono stati supportati dall’imaging a cellule vive della fusione di proteine marcate con fluorescenza . L’allineamento ipotesi descrive che i microtubuli possono controllare l’allineamento di cellulosa microfibril deposizione nella membrana del plasma ; tuttavia, i risultati dell’esame di polimerizzazione e depolimerizzazione di MTs con un breve trattamento con taxol e oryzalin, rispettivamente, non sono d’accordo con l’allineamento ipotesi, perché non sono stati osservati cambiamenti in cellulosa microfibril orientamento . Li et al., ha studiato il ruolo di CESA interactive protein 1 (CSI1) come proteina linker in associazione tra complessi CesA e microtubuli corticali in vivo. Sulla base del risultato di Zhong et al. il FRA1, proteina legante microtubuli kinesin-like, mutante fatto alterazione deposizione di microfibrille di cellulosa nelle pareti cellulari delle fibre in Arabidopsis. Il traffico intracellulare di CSC da filamenti di actina è stato suggerito da Wightman e Turner per controllare la consegna di CSC al PM per mantenere una corretta deposizione modellata del Scw., Recentemente, la coordinazione dinamica fra AF e MT è stata studiata facendo uso della sonda etichettata doppia nella cellula vegetale di interfase .
Un ruolo del mutante COBRA (cob) nella regolazione dell’orientamento dell’espansione cellulare è stato associato a uno schermo per Arabidopsis con radici espanse per difetto per la prima volta nel 1993 . Radici corte e gonfie sono il risultato di mutazioni nella PANNOCCHIA. Codifica una proteina GPI-ancorata putativa che è necessaria per espansione orientata delle cellule in Arabidopsis. COBRA provoca l’allungamento delle cellule e la riduzione del contenuto di cellulosa cristallina., Inoltre è stato identificato in associazione con la deposizione di microfibrille cellulosiche nel tessuto radicale . COBRA-come i membri della famiglia del gene COBL2, COBL6, COBL9, COBL10 e COBL11 sono richiesti per la deposizione di cellulosa cristallina orientata durante lo sviluppo del seme, i peli della radice e l’allungamento del tubo pollinico in PCW, rispettivamente, mentre COBL4 è stato identificato durante la formazione del sistema vascolare nelle cellule xilemiche . Poiché irx6 è un membro della famiglia di geni COBRA (COBL4), regola anche la crescita continua delle cellule e manifesta una diminuzione del contenuto di cellulosa cristallina nelle pareti delle cellule radicali .
8., Conclusione
Nonostante i numerosi studi e i progressi verso la comprensione del meccanismo della biosintesi della cellulosa nelle piante superiori, il numero di domande è ancora in sospeso. Quante proteine sono necessarie per il processo di sintesi della cellulosa? Come può ogni pianta regolare la sintesi della cellulosa? Come è la posizione di CesA nel complesso di sintesi della cellulosa? In che modo una cellula vegetale controlla la cristallizzazione delle microfibrille? L’indagine della struttura della cellulosa e dei geni chiave impegnati nella sintesi della cellulosa può essere importante a causa dell’utilizzo diffuso del prodotto di cellulosa nella vita quotidiana.,all
Interessi concorrenti
Gli autori dichiarano che non vi sono interessi concorrenti per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.
Riconoscimenti
Questo lavoro è stato supportato dallo sviluppo del programma accademico prioritario delle istituzioni educative superiori Jiangsu, in Cina.
