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營養屏障凱氏帶建成和木質素聚合研究獲進展

2023-10-27 分子植物科學卓越創新中心
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10月27日,《科學》(Science)在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究組與英國諾丁漢大學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。該研究闡明了引導蛋白(Dirigent proteins,DPs)在植物凱氏帶建成和木質素聚合中的關鍵作用,為水分和養分高效利用的未來作物分子設計提供了新理論。

凱氏帶是植物根部內皮層細胞一種特化的細胞壁,主要由防水的木質素構成。這一結構通過與內皮層細胞質膜緊密錨定在一起,形成調控植物水分和礦物質擴散的關鍵屏障,具有重要的生物學功能:凱氏帶阻斷了外界水分和礦物質無序擴散進入植物體內,使得植物能夠對水分和物質的攝入進行合理的控制;凱氏帶對內皮層質外體空間的封閉作用,阻止了維管系統中水分和礦質元素向外泄漏,保障了維管組織中水分和礦質元素的高效運輸。8月31日,晁代印研究組發現了水稻中凱氏帶與細胞質膜錨定粘連的分子機制,但凱氏帶木質素聚合和精準沉積的分子機制仍是懸而未決的科學問題。

此外,木質素是重要的生物能源物質及固碳物質,但關于木質素單體的聚合過程始終存在爭論。一種觀點認為木質素的聚合是一個隨機自發的過程,不受到蛋白因子的調控,即隨機聚合理論;另一種觀點則認為這一聚合過程受到引導蛋白的精準調控,但這一觀點缺乏嚴格的遺傳學證據支撐。

該研究在擬南芥中鑒定到一組(6個)在根內皮層細胞特異表達的引導蛋白(DPs),且該組DPs全部定位在凱氏帶。研究通過遺傳分析并結合凱氏帶木質素染色觀察發現,這組DPs是調控木質素在凱氏帶處精準沉積的決定性因子,也是維持凱氏帶與細胞質膜緊密連接的必需因子。DPs突變體中凱氏帶處木質素的沉積發生明顯異常,同時凱氏帶處細胞膜和細胞壁的緊密連接消失(圖1),使其喪失了作為水分和礦質元素擴散屏障的功能,并嚴重擾亂了植物體內的礦質元素穩態,降低了植物對包括鹽脅迫、滲透脅迫、低濕度脅迫等在內的多種非生物脅迫環境的適應性。進一步,研究通過遺傳證據和拉曼光譜實驗分析證實,凱氏帶處的木質素的產生是由DPs途徑和SCHENGEN途徑共同介導。最后,通過分子生物學、生物化學和體外木質素聚合實驗,研究確認這組DPs成員間可以形成異源三聚體,并證明這些DPs是木質素單體自由基聚合所必需的(圖2)。

上述研究將科學家對凱氏帶形成及其木質素沉積過程的認知由此前的細胞層面拓展至更為基礎的生化層面,并鑒定出第一個直接調控凱氏帶處木質素聚合的蛋白復合體。這是首次通過遺傳學證據證實凱氏帶處木質素的產生和沉積過程需要DPs復合體的直接參與(圖3)。這些成果為DPs調控木質素聚合理論提供了直接的遺傳學和生物化學證據,加深了人們對于木質素聚合過程的認識。同時,這一研究拓展了人們對凱氏帶調控植物水分和礦質營養穩態的理解,并為未來通過生物技術手段創制水分和養分高效利用的作物新品種提供了重要靶點。

研究工作得到英國皇家學會牛頓國際基金項目、英國皇家學會牛頓基金高級學者項目、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃和中國科學院青年創新促進會等的支持。法國國家科學研究中心、河北農業大學等的科研人員參與研究。

論文鏈接

圖1.?引導蛋白是凱氏帶形成(A)以及凱氏帶和質膜緊密連接(B)所必需的

圖2.?引導蛋白直接參與木質素的聚合

圖3.?Dirigent protein復合體調控凱氏帶發育和木質素聚合的分子機制

打印 責任編輯:侯茜

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