Science | 分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組與合作者在營(yíng)養(yǎng)屏障凱氏帶建成和木質(zhì)素聚合領(lǐng)域取得重大突破
文章來(lái)源:分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時(shí)間:2023-10-27 | 【打印】 【關(guān)閉】
2023年10月27日(北京時(shí)間),國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組與英國(guó)諾丁漢大學(xué)David Salt研究組合作完成的題為“A dirigent protein complex directs lignin polymerization and assembly of the root diffusion barrier”的研究論文。闡明了引導(dǎo)蛋白(Dirigent proteins,DPs)在植物凱氏帶建成和木質(zhì)素聚合中的關(guān)鍵作用,為水分和養(yǎng)分高效利用的未來(lái)作物分子設(shè)計(jì)提供了新理論。
凱氏帶是植物根部?jī)?nèi)皮層細(xì)胞一種特化的細(xì)胞壁,主要由防水的木質(zhì)素構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)通過(guò)與內(nèi)皮層細(xì)胞質(zhì)膜緊密錨定在一起,形成調(diào)控植物水分和礦物質(zhì)擴(kuò)散的關(guān)鍵屏障,具有極其重要的生物學(xué)功能:首先,它阻斷了外界水分和礦物質(zhì)無(wú)序擴(kuò)散進(jìn)入植物體內(nèi),使得植物能夠?qū)λ趾臀镔|(zhì)的攝入進(jìn)行合理的控制;其次,凱氏帶對(duì)內(nèi)皮層質(zhì)外體空間的封閉作用阻止了維管系統(tǒng)中水分和礦質(zhì)元素向外泄漏,保障了維管組織中水分和礦質(zhì)元素的高效運(yùn)輸。今年8月31日,晁代印研究組發(fā)現(xiàn)了水稻中凱氏帶與細(xì)胞質(zhì)膜錨定粘連的分子機(jī)制,但凱氏帶木質(zhì)素聚合和精準(zhǔn)沉積的分子機(jī)制仍是一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題。
此外,木質(zhì)素作為重要的生物能源物質(zhì)及固碳物質(zhì),其合成機(jī)制關(guān)系到“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但長(zhǎng)久以來(lái)關(guān)于木質(zhì)素單體的聚合過(guò)程始終存在巨大的爭(zhēng)論:一種觀點(diǎn)認(rèn)為木質(zhì)素的聚合是一個(gè)隨機(jī)自發(fā)的過(guò)程,不受到蛋白因子的調(diào)控,即隨機(jī)聚合理論;另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為這一聚合過(guò)程受到引導(dǎo)蛋白的精準(zhǔn)調(diào)控,但這一觀點(diǎn)此前始終缺乏嚴(yán)格的遺傳學(xué)證據(jù)支撐。
在該研究中,研究人員在擬南芥中鑒定到一組(6個(gè))在根內(nèi)皮層細(xì)胞特異表達(dá)的引導(dǎo)蛋白 (DPs),并且該組DPs全部定位在凱氏帶。通過(guò)遺傳分析并結(jié)合凱氏帶木質(zhì)素染色觀察,發(fā)現(xiàn)這組DPs是調(diào)控木質(zhì)素在凱氏帶處精準(zhǔn)沉積的決定性因子,也是維持凱氏帶與細(xì)胞質(zhì)膜緊密連接的必需因子。DPs突變體中凱氏帶處木質(zhì)素的沉積發(fā)生明顯異常,同時(shí)凱氏帶處細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的緊密連接消失(圖1),使其喪失了作為水分和礦質(zhì)元素?cái)U(kuò)散屏障的功能,并嚴(yán)重?cái)_亂了植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素穩(wěn)態(tài),同時(shí)降低了植物對(duì)包括鹽脅迫、滲透脅迫、低濕度脅迫等在內(nèi)的多種非生物脅迫環(huán)境的適應(yīng)性。隨后,研究人員通過(guò)遺傳證據(jù)和拉曼光譜實(shí)驗(yàn)分析證實(shí),凱氏帶處的木質(zhì)素的產(chǎn)生是由DPs途徑和SCHENGEN途徑共同介導(dǎo)的。最后,通過(guò)分子生物學(xué)、生物化學(xué)和體外木質(zhì)素聚合實(shí)驗(yàn),研究者確認(rèn)這組DPs成員間可以形成異源三聚體,并證明這些DPs是木質(zhì)素單體自由基聚合所必需的(圖2)。
這一研究結(jié)果將人們對(duì)凱氏帶形成及其木質(zhì)素沉積過(guò)程的認(rèn)知由此前的細(xì)胞層面拓展至更為基礎(chǔ)的生化層面,并鑒定出第一個(gè)直接調(diào)控凱氏帶處木質(zhì)素聚合的蛋白復(fù)合體。這也是首次通過(guò)遺傳學(xué)證據(jù)證實(shí)凱氏帶處木質(zhì)素的產(chǎn)生和沉積過(guò)程需要DPs復(fù)合體的直接參與(圖3)。這些結(jié)果為DPs調(diào)控木質(zhì)素聚合理論提供了直接的遺傳學(xué)和生物化學(xué)證據(jù),大大加深了人們對(duì)于木質(zhì)素聚合過(guò)程的理解。同時(shí),這一研究拓展了人們對(duì)凱氏帶調(diào)控植物水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)穩(wěn)態(tài)的理解,并為未來(lái)通過(guò)生物技術(shù)手段創(chuàng)制水分和養(yǎng)分高效利用的作物新品種提供了重要靶點(diǎn)。
英國(guó)諾丁漢大學(xué)植物與作物科學(xué)系高軼群博士和中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃金泉副研究員為該論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究員,英國(guó)諾丁漢大學(xué)Gabriel Castrillo副教授和David Salt教授為該論文的通訊作者。此外,中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳曉亞研究員、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心LIPME研究所Guilhem Reyt博士、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)薛培英副教授等也參與了該項(xiàng)工作。該研究得到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓國(guó)際基金項(xiàng)目,英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓基金高級(jí)學(xué)者項(xiàng)目,國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng),國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目資助。
論文鏈接:http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032

圖1. 引導(dǎo)蛋白是凱氏帶形成(A)以及凱氏帶和質(zhì)膜緊密連接(B)所必需的

圖2. 引導(dǎo)蛋白直接參與木質(zhì)素的聚合

圖3. Dirigent protein 復(fù)合體調(diào)控凱氏帶發(fā)育和木質(zhì)素聚合的分子機(jī)制
