《Advanced Science》：From Defense Executor to Engineering Target: Harnessing Lignin for Crop Resistance
植物已进化出复杂的防御机制，涉及病原体与害虫的感知、信号转导以及免疫执行。尽管在过去的三十年里，前两个步骤所涉及的免疫受体和信号组分已被广泛研究，但研究人员对植物部署以对抗病原体入侵的下游物理和化学执行者的关注相对较少。木质素（Lignin）是植物次生细胞壁中的一种基本结构聚合物。近年来，越来越多的研究表明，植物主动利用木质素强化作为对抗广谱生物胁迫的防御策略，这凸显了木质素在免疫执行中的关键作用。在这篇综述中，研究人员全面总结了木质素相关基因对植物免疫的遗传贡献，并阐明了在病原体/害虫攻击后控制单木质素（monolignol）生物合成、转运和聚合动态激活的调控机制。此外，研究人员讨论了木质素介导免疫的生理生化基础，并强调了该领域亟待解决的关键问题。更进一步地，研究人员总结了近期通过生物技术调控木质素含量和组成以增强作物抗性的研究进展。总体而言，本综述强调了木质素作为坚定防御执行者的角色，并将木质素途径定位为作物工程改造以增强对多种生物威胁抗性的战略靶标。
**1 引言**
病原体和害虫是限制植物生长发育的关键因素，显著降低作物产量，并对全球粮食安全构成严重威胁。据联合国粮农组织（FAO）统计，全球年粮食产量因此减少高达40%。因此，培育对生物胁迫具有增强抗性的作物品种对于可持续农业至关重要。为了抵御多种生物胁迫，植物进化出了一套三步免疫应答系统，包括由上游免疫受体进行的病原体和害虫感知、由中间信号组分介导的信号转导，以及通过下游物理和化学执行者进行的免疫执行。在过去三十年中，病原体感知和免疫信号已被广泛研究。这些研究揭示了细胞表面模式识别受体（PRRs）在模式触发免疫（PTI）以及细胞内核苷酸结合富亮氨酸重复受体（NLRs）在效应子触发免疫（ETI）中的作用。PTI和ETI的激活都会导致多种直接对抗病原体入侵的物理和化学作用。然而，植物免疫的这些下游执行者受到的关注相对较少。
植物细胞壁是由高分子量多糖、高度糖基化蛋白质和木质素（Lignin）组成的复杂动态结构。木质素是一种芳香族聚合物，它与纤维素和半纤维素相互作用，在特定组织（包括周皮、韧皮纤维、厚壁组织和木质部）的次生细胞壁中形成细胞外基质，赋予其刚性和不透性。作为植物中第二丰富的生物聚合物，木质素是维管植物所特有的，约占陆地生物圈有机碳含量的30%。木质素通过增强细胞壁的刚性和疏水性，提供结构支撑，并实现水分和养分的长距离运输，在植物生长发育中发挥关键作用。此外，富含木质素的细胞壁高度抵抗微生物和害虫的物理破坏和酶降解，而干旱、盐碱和低温也能诱导木质素含量和组成的动态变化。因此，木质化是对抗多种生物和非生物胁迫的关键防御机制。
特别是，木质素长期以来一直被认为是抵御病原体和害虫的物理屏障。在过去的几十年中，木质素引起了越来越多的关注，并且在多种植物中对其生物合成途径的修饰取得了显著进展。值得注意的是，在最近两年中，大量出版物强调了木质素在植物防御中的关键作用，特别是在水稻、小麦和玉米等主要作物的广谱抗病性中。这些研究揭示了在整个木质化过程中控制木质素介导免疫的复杂调控机制，强调木质素是一种强大的防御执行者和作物抗性改良的关键工程靶标。然而，目前缺乏对旧理论和新发现的整合性综述，特别是在木质素介导免疫的多层调控机制及其在作物抗性改良中的应用方面。在此，研究人员系统地总结了木质素介导植物免疫的经典理解和最新进展，涉及20个植物物种中赋予对43种病原体和害虫抗性的73个基因。研究人员还提炼了在病原体/害虫攻击下控制木质素生物合成、转运和聚合的调控模块，并提出了通过遗传操作木质素相关基因来增强植物抗性的概念框架。该框架旨在促进作物在抗病性和产量方面协调改良的分子育种，从而弥合基础研究与作物改良实际应用之间的差距。
**2 木质化过程简要概述**
植物细胞中的木质化包括三个连续阶段：（1）单木质素（monolignol）生物合成，（2）转运，以及（3）聚合。单木质素是木质素聚合物的基本构建单元，通过苯丙烷途径在细胞质中合成，三种主要单元是对-香豆醇、松柏醇和芥子醇（H、G和S单元）。生物合成始于苯丙氨酸通过苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4-羟化酶（C4H）和4-香豆酸-CoA连接酶（4CL）转化为对-香豆酰-CoA，随后涉及P450酶对-香豆酰莽草酸3′-羟化酶（C3′H）和阿魏酸5-羟化酶（F5H）、甲基转移酶咖啡酸3-O-甲基转移酶（COMT）和咖啡酰-CoA 3-O-甲基转移酶（CCoAOMT），以及还原酶肉桂酰-CoA还原酶（CCR）和肉桂醇脱氢酶（CAD）的反应，以产生单木质素。三种P450蛋白C4H、C3′H和F5H形成涉及两个非催化膜类固醇结合蛋白（MSBPs）的蛋白复合体，它们用电子供体细胞色素P540还原酶（ATR1和ATR2）和细胞色素b5亚型CB5D羟基化芳香环。
在细胞质中合成后，单木质素被转运至细胞壁进行后续聚合形成木质素聚合物。目前已提出几种关于单木质素转运机制的假说。单木质素最初被认为是由特定的ATP结合盒（ABC）转运蛋白运输，例如AtABCG29和Lr34，它们分别拟南芥和小麦中对-香豆醇和芥子醇的转运蛋白。此外，单木质素可能通过被动扩散穿过质膜。分子动力学模拟表明，几种单木质素和相关化合物能够以足以支持木质素生物合成的速率扩散通过膜。值得注意的是，当膜一侧存在漆酶（LAC）建立浓度梯度时，这种扩散会增强。此外，病原体诱导的单木质素与自噬囊泡的共定位表明，单木质素转运可能由自噬膜运输介导，并且这种自噬介导的转运是植物快速运输诱导产生的单木质素作为其免疫反应一部分的应急机制。
最后，由O
2依赖的漆酶（LACs）和H
2O
2依赖的过氧化物酶（PRXs）催化氧化后，单木质素通过组合自由基偶联反应实现聚合。在特定区域或结构（如凯氏带）中木质素的聚合由导向蛋白（DIRs）和凯氏带膜结构域蛋白（CASPs）引导。CASPs作为木质素相关酶定位的跨膜蛋白支架，这些酶氧化单木质素以生成其相应的自由基。这些自由基进一步被DIR异源三聚体利用以形成二聚化产物。近期研究进展逐步揭示了整个木质化过程的复杂性，综合性综述提供了清晰的机制见解。
**3 木质化作为对抗病原体和害虫的可诱导与动态防御策略**
除了提供被动防御的组成型木质素沉积外，植物可以在胁迫条件下动态诱导木质素积累或将其沉积在特化组织中，作为主动防御机制。这种可诱导的木质素通常被称为“胁迫木质素”或“防御木质素”。与结构木质素在支撑组织（如木质部导管和纤维）中的固定分布不同，防御木质素特异性地沉积在侵染位点。例如，木质素在病原体穿透位点周围形成的称为乳突的特化结构中快速合成和沉积。这些富含木质素的乳突作为物理屏障，限制微生物入侵。防御木质素的聚合更为迅速，且与结构木质素相比通常具有组成差异。例如，在受到茎蛀食性草食动物攻击的烟草髓部中，发现S/G比降低，β-芳基醚（β–O–4）木质素单元增加，以及阿魏酰酪胺作为一种新出现的木质素组分。防御木质素与结构木质素在空间模式、聚合动力学和组成上的差异，使得防御木质素能够作为一种专门的防御执行者发挥作用，而结构木质素主要起支撑作用。同时，越来越多的研究报告称，木质化是通过在病原体和害虫攻击时激活单木质素生物合成、转运和聚合来促进的。这些细胞壁的动态修饰增强了机械阻力并产生针对生物胁迫因子的生化屏障。
**3.1 病原体和害虫攻击下单木质素生物合成的激活**
跨多种植物物种的转录组分析一致表明，生物胁迫诱导苯丙烷途径基因的显著上调，特别是那些编码单木质素生物合成酶的基因，最终导致木质素积累增加。在拟南芥中，丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）感染、甘蓝根肿菌（Plasmodiophora brassicae）感染或甘蓝蚜（Brevicoryne brassicae）侵扰会触发苯丙烷途径的实质性转录重编程。在番茄和葡萄中分别被大丽轮枝菌（Verticillium dahlia）和葡萄炭疽菌（Colletotrichum viniferum）感染后也观察到类似反应，其中苯丙烷途径表现出最多的差异表达基因。这种保守的防御反应延伸到作物物种。感染水稻黄单胞菌（Xanthomonas oryzae）的水稻植株表现出苯丙烷代谢的显著激活。被茎蛀虫（Trichobaris mucorea）侵扰的烟草植株显示出木质素生物合成基因的上调表达，特别是在髓部组织中。受到条锈菌（Puccinia striiformis）挑战的小麦和接种多堆柄锈菌（Puccinia polysora）及轮枝镰孢菌（Fusarium verticillioides）的玉米表现出类似的木质素相关基因转录诱导。值得注意的是，病原体诱导的这些基因的激活不仅增强单木质素产量，还促进抗菌酚类化合物的积累。有趣的是，在自身免疫和类病变突变体中，即使在非胁迫条件下也观察到类似的转录激活，这表明在这些遗传背景中木质素相关途径的组成型激活。
除了数量变化，当植物受到不同病原体和害虫挑战时，也观察到木质素组成的动态变化。裸子植物在生物胁迫下主要积累H-木质素，而被子植物优先合成S-木质素。S-木质素的防御作用已有充分文献记载，证据是其优先在感染组织中积累，以及在具有升高S-木质素水平的转基因植物中观察到增强的疾病抗性。相比之下，G-木质素以比S-木质素中占主导的醚键更稳定的联苯和碳-碳键为特征，表现出独特的防御特性。烟草与Trichobaris mucorea之间的相互作用揭示了额外的复杂性，显示受侵染茎中S/G比降低，髓部组织中β-芳基醚（β–O–4）木质素单元增加，同时伴随阿魏酰酪胺（一种具有昆虫趋避特性的非典型木质素单体）的积累。这些发现共同表明，生物胁迫不仅诱导木质素沉积的数量增加，还导致木质素组成的质变，使植物能够通过选择性单体掺入、改变连接模式以及产生针对不同病原体和害虫的特化防御化合物来发动量身定制的防御反应。
**3.2 生物胁迫下单木质素转运的加速**
ABC转运蛋白和自噬都与病原体触发的单木质素转运有关。例如，芥子醇转运蛋白基因Lr34在小麦中赋予对小麦叶锈菌（Puccinia triticina）、条锈菌（Puccinia striiformis）和白粉菌（Blumeria graminis）的持久抗性。携带Lr34
res等位基因的小麦品系与Lr34
sus等位基因相比表现出更厚的细胞壁和更高的木质素含量，而lr34突变体对芥子醇表现出超敏感性。此外，TaCOMT-3B基因的过表达增强了芥子醇的产生并加强了Lr34介导的抗性。在拟南芥中，质膜定位的PDR型ABC转运蛋白PEN3在侵染位点积累以阻断非宿主真菌的穿透。其底物4-甲氧基吲哚-3-甲醇还能促进flg22诱导的胼胝质沉积。这些发现表明，其类似物ABC转运蛋白，如ABCG29和Lr34，也可能被招募到侵染位点进行靶向单木质素递送，从而增强木质化和加强疾病抗性。
Jeon等人（2023）的最新工作进一步证明了自噬在病原体感染期间单木质素转运中的潜在参与。atg5-1和atg7-2突变体在病原体响应期间表现出木质素沉积受损。活体成像揭示了在丁香假单胞菌番茄致病变种（Pst）DC3000感染的细胞中，单木质素与沿细胞骨架元素向质膜运输的自噬囊泡存在病原体诱导的共定位，表明存在一种用于快速细胞壁强化的应急运输机制。这种自噬依赖的途径使得能够及时形成木质素屏障并帮助限制病原体扩散。
**3.3 生物胁迫下单木质素聚合的诱导**
由漆酶（LAC）和过氧化物酶（PRX）催化的单木质素聚合与病原体感染期间的活性氧（ROS）产生密切相关。病原体诱导的ROS爆发促进单木质素聚合，这通过棉花中GhLAC15在感染大丽轮枝菌后的强烈诱导得以证明，这与增强的疾病抗性相关。在小立碗藓（Physcomitrella patens）中，胶孢炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）感染上调DIR表达，增强木质素聚合和细胞壁强化。类似地，棉花中GhDIR1的过表达促进表皮和维管组织中的木质化，有效限制大丽轮枝菌的扩散。相反，小麦中TaDIR-B1敲除突变体和VIGS系显示出增强的木质素积累和改善的对镰孢菌冠腐病的抗性。这些数据表明，DIR蛋白可能根据植物-病原体系统差异性地调控木质化。
凯氏带膜结构域蛋白（CASPs）对防御相关的木质化有显著贡献。在拟南芥中，CASPL1D1和CASPL4D1在响应Pst DC3000时转录上调，并且对于病原体诱导的木质素聚合至关重要。从机制上讲，CASPs招募过氧化物酶，在凯氏带形成期间利用由RBOHF产生的ROS（特别是H
2O
2）催化单木质素聚合。鉴于RBOHF衍生的ROS作为关键的免疫信号分子，它们在CASPL介导的木质化中的参与突出了氧化信号、细胞壁强化和植物免疫之间的复杂串扰。
**4 参与病原体和害虫触发木质化的多层调控网络**
植物拥有精密的机制来检测病原体入侵或害虫攻击，并快速启动保护性木质素沉积。在不同的生物胁迫下，似乎存在多层调控，包括转录因子介导的转录控制、microRNA介导的转录后调控以及蛋白质修饰依赖的翻译后修饰，导致改变木质素积累。
**4.1 生物胁迫下木质素沉积的转录控制**
新出现的证据表明，植物中单木质素的生物合成是由NAC和SG2型R2R3-MYB转录级联协调调控的。在拟南芥中，SG2型R2R3-MYB转录因子MYB15是PTI和ETI中防御诱导木质化的核心调控因子。MYB15的表达被病原体相关分子模式（PAMPs），如flg22和elf26，以及细菌效应子AvrRpm1上调。值得注意的是，myb15功能丧失突变体未能响应这些诱导子诱导木质化。从机制上讲，MYB15直接结合关键单木质素生物合成基因的启动子，包括PAL1、C4H、HCT、CCoAOMT、CSE和CAD，以在病原体攻击期间激活它们的表达。类似地，MYB15同源物在水稻、棉花、苹果和菊花中在面对各种病原体和害虫挑战时促进木质化。值得注意的是，MYB15介导的防御激活特异性地促进G-木质素生物合成而不影响S-木质素产量，这表明不同的单木质素在病原体特异性疾病抗性中发挥专门作用。
除了MYBs，其他转录因子也对病原体响应的木质化有贡献。在拟南芥中，AtMYC2协调从咀嚼害虫启动的茉莉酸（JA）信号转向脱落酸（ABA）介导的RAP2.6持续激活，从而维持伤口愈合所需的单木质素生物合成和木质素沉积。在棉花中，大丽轮枝菌感染诱导GhWRKY1，它激活GhPAL6和GhCOMT1转录以促进单木质素生物合成。在柿子中，DkWRKY和DkWRKY10通过DkCAD1的转录调控介导果生炭疽菌（Colletotrichum horii）诱导的木质化。在苹果中，腐皮镰孢菌（Fusarium solani）通过MdWRKY75-MdERF114转录级联和MdMYB8-MdERF114相互作用触发MdPRX63介导的单木质素聚合。总之，这些研究表明，通过转录因子激活木质素沉积是植物-病原体相互作用过程中进化上保守的机制。
**4.2 MicroRNA介导的木质素沉积在生物胁迫下的转录后调控**
MicroRNA-转录因子模块代表了使植物能够感知生物威胁并激活单木质素生物合成和聚合的关键调控机制。生物胁迫下MYB表达的诱导通常涉及miRNA介导的调控。例如，在水稻中，稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）、立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）和水稻黄单胞菌稻致病变种（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）的感染诱导OsmiR172a的表达，它抑制OsSNB并因此释放OsMYB30以激活木质素生物合成并赋予广谱抗性。类似地，在苹果中，胶孢炭疽菌感染提高了水杨酸（SA）水平，缓解了MdmiR7125介导的MdARF1抑制，随后激活了MdMYB46依赖的木质素生物合成。在玉米中，禾谷镰孢菌（Fusarium graminearum）和肿胀疫霉（Pythium inflatum）感染诱导miR319的表达，进而靶向ZmMYB74以促进木质素积累，从而增强疾病抗性。LAC基因的表达也受到miR397的转录后调控，其表达在受到多种病原体（包括水稻中的稻瘟病菌、棉花中的大丽轮枝菌、苹果中的终极腐霉（Pythium ultimum）和湖北海棠（Malus hupehensis）中的灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea））感染时被抑制。通过miRNA介导的转录后调控，病原体上调单木质素生物合成和聚合，最终促进木质素沉积。
**4.3 蛋白质修饰依赖的生物胁迫下木质素沉积调控**
翻译后修饰（PTMs）是调节蛋白质稳定性、活性、定位和构象的基本调控机制，在植物-病原体相互作用中发挥关键作用。PTMs在微调木质素生物合成中的重要性已被强调。例如，在拟南芥中，PAL经历多种PTMs，包括由CDPK进行的磷酸化和由Kelch结构域F-box（KFB）蛋白KFB01、KFB20、KFB39、KFB50和SAGL1介导的泛素化。病原体已进化出操纵木质素生物合成中PTMs的策略。维管细菌病原体水稻黄单胞菌稻致病变种和野油菜黄单胞菌野油菜致病变种（Xanthomonas campestris pv. campestris）通过干扰MAPK信号级联来抑制MYB4（木质素生物合成的负调控因子）的磷酸化。这种对MYB4磷酸化的抑制促进了木质素积累并增强了维管免疫。此外，苯丙烷类化合物的糖基化通过调节代谢物稳定性和活性来促进植物免疫。
最近，新出现的证据揭示了PTMs，如磷酸化、泛素化和氧化，在防御诱导的木质化过程中调控单木质素生物合成酶的关键作用。在木薯中，MeKIN10磷酸化MeHB16二聚体，以在木薯细菌性萎蔫病菌（Xanthomonas axonopodis pv. manihotis）感染期间激活单木质素生物合成和聚合。在水稻中，关键的木质素生物合成酶PAL受到OsFBK16和OsPUB41的病原体调控泛素化，其中稻瘟病菌抑制OsFBK16而诱导OsPUB41表达。此外，稻瘟病菌产生的H
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2氧化bHLH25的M256，刺激OsLAC表达并促进木质素积累。
总之，这些发现表明，植物采用涉及转录、转录后和翻译后机制的多层调控网络，以精确调控响应多种生物胁迫的木质化。这些调控过程与防御激素（特别是SA、JA和ABA）的信号通路错综复杂地联系，它们在微调应对生物胁迫的木质化中发挥关键作用。然而，一个关键的知识缺口仍然在于启动该途径的上游信号事件，特别是关于植物如何感知生物胁迫信号、转导它们，并最终激活木质素相关基因的表达以诱导木质化。
**5 通过操纵木质素相关基因改变植物免疫**
广泛的研究表明，木质素相关基因的遗传修饰通过改变木质素含量和组成显著影响植物的疾病抗性。
**5.1 通过操纵单木质素生物合成基因改变植物免疫**
PAL是苯丙烷途径的入口点，在植物防御中发挥关键作用。拟南芥pal突变体、pal1 pal2双突变体和pal1/2/3/4四重（palQ）突变体表现出木质素积累减少以及对Pst DC3000的易感性增加。相反，PAL的过表达增强了烟草对抗烟草疫霉（Phytophthora parasitica）、烟草尾孢菌（Cercospora nicotianae）和烟草花叶病毒，以及水稻对抗褐飞虱（Nilaparvata lugens）、水稻黄单胞菌稻致病变种和稻瘟病菌的抗性。在拟南芥palQ突变体中补充松柏醇恢复了木质素沉积并改善了疾病抗性，突出了木质素在PAL依赖的疾病抗性中的关键作用。
HCT催化对-香豆酰CoA向香豆酰莽草酸和咖啡酰莽草酸向咖啡酰CoA的转化，这是G-和S-木质素生物合成的关键步骤。在紫花苜蓿（Medicago sativa）中抑制HCT降低了木质素水平但增强了对三叶草炭疽菌（Colletotrichum trifolli）的抗性，表明其负调控植物免疫。此外，两个玉米HCT同源物HCT1806和HCT4918与R蛋白Rp1-D21物理相互作用，导致抑制Rp1-D21介导的细胞死亡，暗示HCT在植物免疫中具有木质素非依赖的功能。
CCR催化阿魏酰-CoA向松柏醛的转化。拟南芥ccr1-3突变体表现出异位防御基因表达，而ccr1-6（对Pst DC3000易感性增加）和欧洲油菜（Brassica napus）CCR2过表达株系（对核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）抗性增强）观察到相反的作用。尽管ccr1-3和ccr1-6具有相似的木质素水平，ccr1-3表现出更严重的生长缺陷和更大的纤维素减少，表明防御反应是由显著的细胞壁破坏触发的。
4CL催化羟基肉桂酰-CoA酯的形成，这是单木质素生物合成的必需前体。遗传证据证明了4CL在植物免疫中的积极作用。棉花中Gh4CL3的功能丧失突变和黄瓜（Cucumis melo）中Cm4CL2的RNA干涉（RNAi）导致木质素含量降低以及对大丽轮枝菌和蚜虫Macrosiphoniella sanborni的易感性增加，而它们的过表达株系具有相反的效果。然而，在棉花中观察到相反的机制，其中Gh4CL30沉默降低了木质素含量但增强了对大丽轮枝菌的抗性，这是由于抗菌酚类化合物咖啡酸和阿魏酸的积累。这些发现共同表明，4CL介导的防御反应涉及木质素依赖和木质素非依赖的机制，具体取决于特定的植物-病原体相互作用和代谢干扰。
两种关键的O-甲基转移酶（OMTs），CCoAOMT和COMT，介导G-和S-木质素生物合成中的苯环甲基化。拟南芥ccoaomt1-3和ccoaomt1-5突变体对Pst DC3000和拟南芥霜霉病菌（Hyaloperonospora arabidopsidis）的易感性增加，而玉米中ZmCCoAOMT2的过表达增强了对南方叶枯病的抗性，证明了CCoAOMT在防御中的积极作用。然而，COMT的防御作用表现出病原体特异性。在烟草中抑制COMT降低了S-木质素含量但提高了病原体抗性，可能通过限制酚类毒力诱导剂的产生。拟南芥和高粱（Sorghum bicolor）的comt突变体也表现出对拟南芥霜霉病菌和镰孢菌属（Fusarium spp.）增强的抗性。矛盾的是，COMT同源基因的敲除突变或基因沉默在拟南芥、玉米和小麦中导致对多种疾病的易感性增加。COMT复杂的免疫功能可能源于其在玉米中与Rp1-D21抗性蛋白的相互作用，它与HCT协同调控过敏反应。这些矛盾的观察结果突显了COMT介导免疫的上下文依赖性，需要进一步的机制研究。
F5H催化单木质素前体芳香环的羟基化，将生物合成从G-木质素转向S-木质素生产。拟南芥f5h1突变体表现出S-木质素和芥子酸酯减少，导致G/S比升高以及对真菌病原体核盘菌和长孢轮枝菌（Verticillium longisporum）的易感性增加，而F5H的过表达表现出对Pst DC3000的防御增强但对桃蚜（Myzus persicae）的易感性更大。
作为单木质素生物合成的最后酶促步骤，CAD催化肉桂醛还原为其相应的醇。在亚麻中沉默CAD基因以及在玉米和水稻中cad突变体（zmcad、oscad8b和oscad2）表现出木质素积累减少以及对尖孢镰孢菌（Fusarium oxysporum）、立枯丝核菌和稻瘟病菌的易感性增加。相反，CAD的过表达导致木质化增强并增强了对小麦中索罗金小球腔菌（Bsorokiniana sorokiniana）和假禾谷镰孢菌（Fusarium pseudograminearum）、柿子中果生炭疽菌以及玫瑰中灰葡萄孢菌的抗性。这些研究共同支持了CAD在植物免疫中的广泛积极作用。然而，高粱bmr6/cad突变体代表了一个显著的例外，显示出抑制镰孢菌属生长，可能是由于抗菌中间体的积累或防御途径的组成型激活。
**5.2 通过操纵单木质素转运和聚合相关基因改变植物免疫**
最近的遗传证据表明，芥子醇转运蛋白基因Lr34的突变（m19和m21）同时减少了木质素积累和对多种真菌病原体的抗性，强调了单木质素转运在植物防御中的重要性。参与木质素聚合的关键酶，包括LAC、PRX、CASPL和DIR，通过不同的机制对疾病抗性产生显著影响。在水稻和猕猴桃中，OsLAC和AcLAC35的过表达导致木质素积累增加和疾病抗性增强。棉花中GhLAC15被大丽轮枝菌诱导，在拟南芥中过表达GhLAC15也赋予了对黄萎病的抗性增强，伴随G-木质素和G/S比升高。相反，抑制LACs损害了水稻和棉花中的木质素沉积和疾病抗性。
类似的调控模式扩展到其他聚合组分。苹果中MdPRX63过表达株系表现出对腐皮镰孢菌的抗性改善，而拟南芥CASPL缺陷株系caspl4d1-1、caspl4d1-2和amiCASPL1D表现出木质素减少和对Pst DC3000的易感性增加。DIR蛋白的操纵也影响疾病抗性，棉花中GhDIR1的过表达通过增强木质化延迟了大丽轮枝菌的入侵，而小麦TaDIR-B1缺陷增加了木质素含量和对镰孢菌冠腐病的抗性。总之，这些发现表明，通过调节木质素沉积模式，对单木质素转运和聚合组分的遗传操纵可以大幅改变植物免疫。
**5.3 通过操纵木质素途径中的调控基因改变植物免疫**
MYB转录因子是木质素生物合成和植物免疫的主调控因子，在物种间表现出复杂的功能多样性。一些MYB转录因子，如AtMYB15、CmMYB15、GhODO1、GhMYB3D5、MdMYB46和OsMYB30，是木质素生物合成的正调控因子。这些MYB基因的突变或抑制一致地降低了木质素积累并在各种生物胁迫中损害了抗性，例如拟南芥中的Pst DC3000、菊花中的蚜虫Macrosiphoniella sanborni、棉花中的大丽轮枝菌、苹果中的胶孢炭疽菌以及水稻中的多种病原体。相比之下，其中一些基因（包括CmMYB15、GhMYB3D5、MdMYB46和OsMYB30）的过表达增强了木质素沉积并加强了植物对相应病原体或害虫的抗性。其他几种MYB蛋白，如AtMYB4、OsMYB102、OsMYB108、ZmMYB74和ZmMYB31，作为木质素生物合成的负调控因子。这些基因的过表达导致木质素积累减少和疾病抗性降低，而抑制它们导致木质素积累增加和疾病抗性增强。值得注意的是，GhMYB4是一个例外：尽管其过表达导致木质素积累减少，但它增强了对大丽轮枝菌的抗性，可能是由于激活了JA介导的防御。
除了MYBs，WRKY转录因子也显著影响木质素介导的防御。如上所述，木质素沉积受到miRNAs和PTMs的调节。因此，干扰这些调控组分导致木质素积累改变以及相应的病原体或害虫抗性变化。例如，miR172a的过表达提高了木质素含量并增强了水稻中的疾病抗性。相反，miR397的过表达减少了木质素积累并损害了水稻、棉花、湖北海棠和茶树（Camellia sinensis）中的疾病抗性，而其抑制具有相反效果。在拟南芥和水稻中的遗传研究表明，MKP1的功能丧失突变体降低了疾病抗性，而MKP1的过表达或MPK3/6的敲除增强了病原体防御。此外，ZmPTI1c与ZmMYB31（木质素生物合成的负调控因子）相互作用并使其磷酸化。因此，zmpti1c突变体表现出对禾谷镰孢菌增强的抗性，这与木质素积累增加相一致。此外，含四肽重复序列（TPRs）的蛋白BSR-K1调控水稻中OsPAL1 mRNA的周转，bsr-k1突变体通过增加的木质化表现出对稻瘟病菌和水稻黄单胞菌稻致病变种增强的抗性。LAC的表达也在ZmSKI3（BSR-K1的紧密同源物）的功能丧失突变体中上调，该突变体在玉米中表现出对新月弯孢菌（Curvularia lunata）增强的疾病抗性。此外，F-box蛋白OsFBK16和U-box蛋白OsPUB41介导OsPAL1的降解，任一基因的突变都能改善对稻瘟病和褐飞虱的抗性。
**5.4 木质素相关基因的遗传操作揭示了木质素在植物免疫和生长中的多方面作用**
遗传研究牢固地确立了增强木质素途径通常能赋予对多种活体营养型和死体营养型病原体和害虫的广谱抗性。在物种间反复出现的模式是，加强木质化的遗传干预措施常常强化物理和化学屏障。然而，众多的例外和依赖于上下文的结果揭示了木质素的作用深深嵌入在一个复杂的代谢网络中。广泛的研究证明了木质素在植物免疫中的双重作用，即在病原体抗性中主要起积极作用，但当木质化干扰细胞壁动力学或植保素生物合成时，则产生依赖于上下文的负面影响。这些悖论背后的机制可归因于苯丙烷途径的重新定向或免疫激活。例如，苜蓿中HCT活性降低导致类黄酮的积累，这些类黄酮作为有效的抗菌化合物并因次生细胞壁完整性受损而触发防御反应的组成型激活。类似地，棉花中沉默Gh4CL30减少了木质素含量但增加了阿魏酸和咖啡酸的积累，从而增强了对大丽轮枝菌的抗性。此外，木质素的扰动可以重新定向碳通量、改变信号动态，并揭示生长与防御之间的权衡。例如，木质素缺陷突变体，如拟南芥c4h/ref3突变体、bpb1突变体和水稻Os4CL3抑制株系，表现出显著的生长和发育缺陷，而由过度免疫介导的木质素异常沉积阻止了地黄（Rehmannia glutinosa）块根的正常增大。
**6 木质素相关植物免疫的生理生化基础**
木质素介导免疫的生理生化机制可分为三种主要模式：（I）物理屏障：生物胁迫诱导的木质素沉积形成结构屏障，物理性地阻碍病原体穿透和扩散。增强的细胞壁刚性和伤口处的快速木质素沉积也阻止害虫取食。（II）抗菌化合物：苯丙烷途径分支产生木质素聚合物和抗菌植保素。这些分支之间的代谢流分配影响结构防御和化学防御之间的平衡。（III）免疫信号分子：木质素相关的细胞壁重塑可以释放内源激发子，激活模式触发免疫，放大下游防御信号级联。
**6.1 防御木质素作为对抗病原体和害虫的物理屏障**
木质素是植物细胞壁中一个公认的结构组分。在植物防御中，它作为组成型和可诱导的物理屏障对抗病原体入侵和害虫取食。虽然木质素普遍增强细胞壁的机械强度，但新出现的证据揭示了发育木质素与胁迫诱导的“防御”木质素之间的显著差异，后者根据胁迫类型（生物或非生物）和所涉及的植物物种表现出结构变异。尖端研究极大地推进了研究人员对防御木质素屏障功能的理解，特别是通过分子表征其在应对各种生物威胁时的动态形成和空间沉积。
通过分析挑战了不同Pst菌株（包括强毒菌株Pst DC3000和无毒菌株AvrRpm1和AvrRpt2（ETI激活菌株）以及hrcC
?（PTI激活菌株））的拟南芥幼苗和成熟植株中的木质素沉积模式，Lee等人揭示免疫激活菌株（ETI和PTI）诱导了比强毒菌株显著更多的木质素积累，特别是在侵染位点。使用专门荧光木质素探针的高级细胞学成像进一步证明了围绕细菌入侵位点的木质素沉积的精确空间模式，形成了一个限制性的“笼子”结构，有效限制了病原体的移动性。分子表征确定了CASPL1D1和CASPL4D1是该病原体诱导的木质化过程的关键介导因子，它们与一个自噬依赖的单木质素转运系统协同工作，该系统将酚类前体快速递送至侵染位点，在病原体攻击期间加强细胞壁。这种协调机制建立了一个类似于凯氏带的专门机械屏障，CASPL蛋白作为基于木质素的细胞外区室化的进化保守组分。类似的木质化边界结构在多种植物组织中被观察到，包括根凯氏带和黄瓜腺毛颈部条带。
对昆虫损伤烟草的转录组分析揭示了髓部特异性诱导的木质素生物合成基因，导致含有阿魏酰酪胺作为特化结构组分的木质素聚合物局部积累，该聚合物作为茎部特异性防御屏障对抗蛀木害虫。可诱导的木质化过程由JA和乙烯信号级联协调调控。在玉米中的平行研究表明，草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）侵扰触发植醇挥发性化合物的排放，这些化合物作为植物间预警信号，通过乙烯介导的木质素沉积激活邻近植物中的先发防御反应。此外，害虫取食引起的机械损伤发起了一个双相激素反应，即初始JA爆发，随后是持续的ABA信号，该信号协调了用于组织强化和伤口修复的持续木质素生物合成。总之，这些发现确立了木质化作为一种动态调控的防御机制，植物通过这种机制精确调整其细胞壁强化策略以应对不同的生物威胁，利用局部和系统性信号通路来优化针对不同病原体和害虫的物理屏障形成。
**6.2 木质素生物合成中的抗菌中间化合物**
产生结构木质素和多种抗菌植保素（包括香豆素、酚酸、芪类、类黄酮和异黄酮等）的苯丙烷途径在植物防御中发挥双重作用。此外，该途径产生SA，这是一种在植物防御中至关重要的激素。木质素缺陷植物中的代谢流重新定向通常增强植保素的产生，如棉花中所示，Gh4CL30沉默减少了木质化但增加了抗菌咖啡酸和阿魏酸的积累，赋予对大丽轮枝菌的抗性。值得注意的是，某些防御化合物可以被掺入木质素聚合物中，例如在害虫攻击后烟草茎髓部木质素中检测到的阿魏酰酪胺。这些发现说明了苯丙烷途径在协调化学和结构防御策略方面的代谢灵活性。
**6.3 木质素介导的细胞壁重塑触发植物免疫**
木质素通过动态的细胞壁重塑激活防御信号通路而促进植物免疫。在HCT抑制的苜蓿中，减少的木质化与升高的SA和JA水平以及胁迫响应基因的上调相关。通过木质素缺陷突变体ccr1-3进一步阐明了分子机制。这种免疫激活涉及一个FERONIA介导的途径，其中由拟南芥开裂区多聚半乳糖醛酸酶1（ADPG1）进行的果胶降解释放出寡聚半乳糖醛酸（例如GalA3），这些寡聚半乳糖醛酸可能通过壁相关激酶（WAKs）启动防御反应，尽管最近的证据质疑WAKLs在寡糖诱导免疫中的必需作用。FERONIA还通过RD26磷酸化来调控抗性，RD26调控在青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）感染期间的木质素生物合成。其他细胞壁完整性传感器如THESEUS1（THE1）和MALE DISCOVERER 1-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASE 2（MIK2）也参与了这个复杂的信号网络。关于介导木质素缺陷诱导免疫的初级受体，以及由遗传突变引起的木质素改变与病原体触发的木质素重塑导致的免疫激活之间可能存在的差异，关键问题仍未解答。
**7 通过操纵主要作物中的木质素相关基因改良多种疾病抗性**
正向和反向遗传学都确立了利用木质素增强作物疾病抗性的潜力。因此，剖析现有成功案例并构思新颖技术策略对于指导后续研究至关重要。
**7.1 遗传修饰木质素基因用于作物改良的成功案例**
木质素生物合成途径的遗传修饰展示了增强作物病虫害抗性的巨大潜力，这在水稻、小麦和玉米中的成功应用得到了证明。在水稻中，通过过表达（OsbHLH25、OsLAC7、OsPAL6、OsMYB30和OsmiR172a）或CRISPR/Cas9介导的基因编辑（OsmiR397b、OsPUB41和OsWRKY6）对木质素相关基因进行靶向操作，显著提高了对主要病原体和害虫（包括稻瘟病菌、立枯丝核菌、水稻黄单胞菌稻致病变种和褐飞虱）的抗性，同时伴随着木质化的增加。值得注意的是，OsMKP1的过表达和OsMPK3/6的敲除改善了对水稻维管病害白叶枯病的抗性。在小麦中，TaCAD1的过表达赋予了对索罗金小球腔菌（引起普通根腐病）和假禾谷镰孢菌（引起镰孢菌冠腐病）增强的抗性。在玉米中，ZmCCoAOMT2的过表达赋予了对玉米小斑病菌（Bipolaris maydis）（引起南方叶枯病）改善的田间抗性。这些成功案例突显了木质素途径工程作为改善主粮作物广谱疾病抗性的一种极具前景的策略。
**7.2 木质素相关基因的自然等位变异：平衡疾病抗性与农艺性状**
木质素相关基因的自然等位变异为在保持有利农艺性状的同时增强疾病抗性提供了关键的遗传资源，这与人工遗传修饰的有害影响形成对比。在水稻中，bsr-k1等位基因通过调节OsPAL转录本稳定性，在不牺牲产量的情况下表现出对稻瘟病菌和水稻黄单胞菌稻致病变种的广谱抗性。值得注意的是，OsPAL基因（OsPAL1-OsPAL7）与多种疾病抗性的数量性状位点（QTL）共定位。类似地，OsTB1的一个自然等位基因通过促进木质素生物合成同时增强了茎秆强度和稻瘟病抗性。在玉米中，位于qMdr9.02 QTL内的ZmCCoAOMT2自然变异有助于抵抗南方叶枯病、灰斑病和北方叶枯病。在小麦中，Lr34的等位基因变异（编码功能性芥子醇转运蛋白）赋予了对小麦叶锈菌、条锈菌和白粉菌的多病原体抗性。这些木质素途径基因的自然变异体代表了精准培育具有最小产量损失的广谱抗病作物品种的主要靶标。虽然全基因组关联研究（GWAS）支持了这类自然变异的鉴定，并已成为解析基因型-表型关联的广泛接受策略。对206份全球代表性高粱种质中木质素含量的GWAS鉴定了9个显著的QTLs和184个与木质化相关的候选基因。类似地，对9个RIL群体的综合分析揭示了关键单木质素生物合成基因及其调控MYB/NAC转录因子与玉米中木质素相关QTLs的共定位。通过GWAS也鉴定出几个与疾病抗性相关的木质素相关基因的变异。例如，通过318份自交系的GWAS发现ZmFBL41的自然变异与纹枯病抗性显著相关。在小麦中，通过435份渗入系的GWAS发现TaDIR-B1的等位变异与镰孢菌冠腐病抗性相关，同时芝麻属物种中DIR基因的结构变异介导了镰孢菌枯萎病抗性。木质素和疾病抗性相关基因等位变异的鉴定促进了作物木质纤维素性状和疾病抗性的定向遗传改良。
**7.3 用于作物改良的木质素工程生物技术策略**
鉴于增强的木质化与改善的病原体抗性之间的强相关性，操纵木质素含量和组成已成为开发抗病作物品种的有前景的方法。现代生物技术工具，包括标记辅助选择、基因编辑、遗传转化、基因组选择、蛋白质设计和合成生物学，为修饰木质素相关基因和蛋白质提供了前所未有的精度。先前专注于木质素价值化和生物质加工的合成生物学努力为这些应用提供了宝贵的基础知识。例如，使用结构引导的迭代饱和诱变来工程化新型OMT变体，使其能够催化单木质素的4-O-甲基化。当在白杨和水稻中表达时，这些工程化的OMTs改变了木质素结构，导致增强的糖释放和更高的生物质乙醇产量。类似地，重建木质素生物合成途径可以增强木质化，从而改善植物对病原体和害虫的抗性。这种工程策略不限于修饰单木质素生物合成酶。合成生物学使得能够设计嵌合蛋白，其特异性地与单木质素和细胞壁聚合物（如纤维素）结合。这样的蛋白可以引导单木质素在预定位点进行有序聚合，形成更致密、更稳定的木质素结构，从而赋予对抗病原体和害虫攻击的抗性。最近，快速兴起的人工智能（AI）技术已显示出促进基因编辑和作物设计的巨大潜力。将AI与不断扩大的木质素修饰植物抗性表型数据集相结合，将进一步加速通过精准木质素工程开发具有增强抵抗病原体和害虫能力的作物。未来，高吞吐量表型分析、先进基因组学和基因组编辑与机器学习和算法驱动分析相结合的集成将彻底改变育种实践。
认识到木质素修饰可能会对植物生长和免疫造成权衡是重要的，正如木质素缺陷突变体（如拟南芥c4h/ref3突变体和水稻Os4CL3抑制株系）中发育异常所证明的那样。先前的研究表明，通过调节SA信号或中介体复合物可以减轻木质素减少植物中的生长缺陷，这表明了避免生长代价的可行策略。最佳方法可能涉及使用病原体诱导型或组织特异性启动子来精确控制木质素生物合成基因的表达，或利用CRISPR/Cas9进行木质素相关基因的靶向敲除/敲入，以培育疾病抗性与其他农艺性状协调改良的品种。
**8 结论与展望**
细胞壁木质化代表了一种精密的防御机制，涉及响应生物胁迫而被激活的协调的单木质素生物合成、转运和聚合过程。作为植物免疫的主要下游执行者，木质素沉积通过三种主要机制增强植物抗性：（1）在次生细胞壁中形成结构屏障，物理性阻碍病原体入侵和害虫取食；（2）产生作为植保素的抗菌酚类中间体；（3）通过细胞壁损伤相关分子模式（DAMPs）如GalA3激活免疫反应。虽然大量证据支持木质素在防御中的积极作用，但一些木质素缺陷植物表现出增强的抗性，这可能是由于免疫途径的补偿性激活或植保素积累升高，而非木质素缺陷本身。重要的是，并非所有木质素减少的基因型都表现出免疫激活，并且病原体或害虫诱导的木质化扰动是否同样触发防御反应以增强植物免疫仍不清楚。因此，木质素本身通常对各种疾病和害虫的防御反应起积极作用而非消极作用，作为植物免疫前线的一个动态堡垒。同时，木质素因其在提供广谱抗性方面的杰出表现，在植物抗性应用中引起了相当大的兴趣。
尽管取得了重大进展，研究人员对木质素介导的植物免疫的机制理解仍然有限。必须解决几个关键的知识缺口。在理解将生物胁迫感知连接到木质化的完整信号级联方面，尤其存在关键的知识空白。（1）像MKP-MAPK-MYB4、FERONIA-RD16和KIN10-HB16这样的新出现模块强调了磷酸化网络在木质素介导防御中的重要性，但上游受体和病原体/害虫诱导木质化的潜在汇聚点需要澄清。PTI和ETI是独立介导木质化还是汇聚在一个共享途径上，也尚待研究。（2）虽然增强的木质素积累赋予了对死体营养型和活体营养型病原体的广谱抗性，但尚不清楚这种广谱防御是否共享一个分子机制，以及它如何作用于如此不同的病原体类型。（3）有必要阐明不同的木质素组分（如S和G单元）如何在特定生物胁迫下对结构构型做出贡献，从而促进木质素组成和结构的遗传工程以改善抗性。针对这些问题，涉及病原体和害虫激活木质化的额外组分和途径有待深入探索。
随着气候变化加剧病害压力，通过标记辅助选择和精准基因编辑操纵木质素为开发高产、抗病作物提供了一种有前景的策略。在水稻、小麦和玉米中的成功案例证明了木质素作为工程靶标在实现以最小产量代价获得广谱生物胁迫抗性方面的潜力。因此，通过标记辅助选择、基因组编辑和AI驱动的生物技术操纵作物中的木质素生物合成，提供了一种协调改善作物病虫害抗性和产量的有效策略。基于先前研究，基因冗余在木质素生物合成和调控涉及的基因家族中是一种常见现象，尤其是在玉米、水稻和小麦等作物中。基因冗余增强了木质素生物合成系统的稳定性和稳健性，确保植物在环境波动或轻微基因突变下能维持正常的木质素积累和防御能力。然而，它给作物工程带来了挑战，因为单基因修饰未能诱导木质素含量或组成的显著变化。通过木质素修饰改善作物抗性可能需要同时操纵多个冗余的调控基因，或鉴定关键家族成员。
在次生细胞壁中，木质素与纤维素和半纤维素交联以增强细胞壁刚性，这两种组分在植物免疫中的作用也已被研究。仍然没有直接证据表明木质素或其衍生寡聚体可以作为DAMPs触发免疫。因此，木质素缺陷突变体中防御的激活被认为是由于细胞壁完整性的损害，包括纤维素和半纤维素的结构。最近，在玉米中鉴定出一种木聚糖木糖基转移酶基因ZmXYXT2，它通过调节半纤维素生物合成增强了对轮枝镰孢菌的抗性。在ZmXYXT2的过表达株系中，不仅半纤维素，纤维素和木质素含量也增加。因此，木质化、纤维素合成和半纤维素合成是紧密协调的，它们的相互作用对于维持细胞壁完整性和增强植物防御至关重要。未来在作物病虫害抗性和产量的遗传改良中应考虑到这种协调的调控网络。
未来的研究应聚焦于：（1）阐明诱导防御性木质化的完整信号网络；（2）优化防御木质素沉积的时空控制；（3）开发最大化抗性同时维持农艺性能的综合育种和工程策略。利用木质素进行作物改良需要一个系统层面的理解，该理解不将途径视为对屏障形成的简单线性贡献，而是将其视为植物整体防御经济中的一个动态整合节点。总体而言，研究人员认为，基于对木质素免疫功能的机制性见解，对木质素途径进行靶向代谢工程是一种长期但高回报的策略，可以同时提高作物抗性和产量。
