营养屏障凯氏带建成和木质素聚合研究获进展

10月27日，《科学》（Science）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究组与英国诺丁汉大学David Salt研究组合作完成的题为A dirigent protein complex directs lignin polymerization and assembly of the root diffusion barrier的研究论文。该研究阐明了引导蛋白（Dirigent proteins，DPs）在植物凯氏带建成和木质素聚合中的关键作用，为水分和养分高效利用的未来作物分子设计提供了新理论。

凯氏带是植物根部内皮层细胞一种特化的细胞壁，主要由防水的木质素构成。这一结构通过与内皮层细胞质膜紧密锚定在一起，形成调控植物水分和矿物质扩散的关键屏障，具有重要的生物学功能：凯氏带阻断了外界水分和矿物质无序扩散进入植物体内，使得植物能够对水分和物质的摄入进行合理的控制；凯氏带对内皮层质外体空间的封闭作用，阻止了维管系统中水分和矿质元素向外泄漏，保障了维管组织中水分和矿质元素的高效运输。8月31日，晁代印研究组发现了水稻中凯氏带与细胞质膜锚定粘连的分子机制，但凯氏带木质素聚合和精准沉积的分子机制仍是悬而未决的科学问题。

此外，木质素是重要的生物能源物质及固碳物质，但关于木质素单体的聚合过程始终存在争论。一种观点认为木质素的聚合是一个随机自发的过程，不受到蛋白因子的调控，即随机聚合理论；另一种观点则认为这一聚合过程受到引导蛋白的精准调控，但这一观点缺乏严格的遗传学证据支撑。

该研究在拟南芥中鉴定到一组（6个）在根内皮层细胞特异表达的引导蛋白（DPs），且该组DPs全部定位在凯氏带。研究通过遗传分析并结合凯氏带木质素染色观察发现，这组DPs是调控木质素在凯氏带处精准沉积的决定性因子，也是维持凯氏带与细胞质膜紧密连接的必需因子。DPs突变体中凯氏带处木质素的沉积发生明显异常，同时凯氏带处细胞膜和细胞壁的紧密连接消失（图1），使其丧失了作为水分和矿质元素扩散屏障的功能，并严重扰乱了植物体内的矿质元素稳态，降低了植物对包括盐胁迫、渗透胁迫、低湿度胁迫等在内的多种非生物胁迫环境的适应性。进一步，研究通过遗传证据和拉曼光谱实验分析证实，凯氏带处的木质素的产生是由DPs途径和SCHENGEN途径共同介导。最后，通过分子生物学、生物化学和体外木质素聚合实验，研究确认这组DPs成员间可以形成异源三聚体，并证明这些DPs是木质素单体自由基聚合所必需的（图2）。

上述研究将科学家对凯氏带形成及其木质素沉积过程的认知由此前的细胞层面拓展至更为基础的生化层面，并鉴定出第一个直接调控凯氏带处木质素聚合的蛋白复合体。这是首次通过遗传学证据证实凯氏带处木质素的产生和沉积过程需要DPs复合体的直接参与（图3）。这些成果为DPs调控木质素聚合理论提供了直接的遗传学和生物化学证据，加深了人们对于木质素聚合过程的认识。同时，这一研究拓展了人们对凯氏带调控植物水分和矿质营养稳态的理解，并为未来通过生物技术手段创制水分和养分高效利用的作物新品种提供了重要靶点。

研究工作得到英国皇家学会牛顿国际基金项目、英国皇家学会牛顿基金高级学者项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划和中国科学院青年创新促进会等的支持。法国国家科学研究中心、河北农业大学等的科研人员参与研究。

论文链接

图1. 引导蛋白是凯氏带形成（A）以及凯氏带和质膜紧密连接（B）所必需的

图2. 引导蛋白直接参与木质素的聚合

图3. Dirigent protein复合体调控凯氏带发育和木质素聚合的分子机制