科学家揭示木质素合成机制，为高效抗逆作物分子育种提供新理论

凯氏带（Casparian strip）是植物水分和矿质元素运输途径中关键的“检查站”。水和养分只有跨越凯氏带屏障，进入维管组织才算是真正进入植物体内，相当于从“小路”转向“高速公路”。

它于 19 世纪中叶，被德国植物学家罗伯特·卡斯帕里（Robert Caspary）发现。其位于根的内皮细胞的细胞壁中，是由木质素构成的一个带状结构。

图丨拟南芥根中的凯氏带结构（来源：）

虽然凯氏带结构被发现已有一个半世纪，但人们对它形成的机制却知之甚少。直到 2011 年，科学家通过遗传学和细胞生物学等手段发现一系列定位在凯氏带处的蛋白分子。至此，凯氏带的研究开始深入到分子生物学阶段，并逐步揭示出凯氏带发育的机制和过程。

但是，其中有两个关键的科学问题一直“悬而未决”：凯氏带处的木质素是如何产生的？凯氏带的木质素如何沉积实现精准的空间沉积？

图丨拟南芥引导蛋白相关突变体的生长表型（来源：Science）

近期，中国科学院分子植物科学卓越创新中心与英国诺丁汉大学团队合作，发现 6 个引导蛋白（Dirigent proteins，DPs）直接参与木质素的合成。并且，由于这些引导蛋白特异性定位，间接导致木质素在凯氏带的特异性沉积。

木质素因难以被降解而具备稳定性，通常作为非常重要的碳库。从木质素合成的角度，领域内有两种相互对立的观点。根据一些专家的结论，木质素单体以不受蛋白影响的方式聚合（随机聚合）。

20 世纪 90 年代后期，科学家发现细胞壁中有一种特殊的引导蛋白可将木质素单体以特定的形式连接。因此，根据另一种相反的观点，木质素单体在引导蛋白参与下能够以有序的方式连接。

在该研究中，研究人员通过遗传学手段获得了不同的引导蛋白突变体，发现多重突变体中凯氏带处木质素沉积出现严重缺陷。令人惊讶的是，在引导蛋白突变体基础上破坏另一个重要凯氏带发育的基因 SGN3，凯氏带的木质素几乎完全消失。

并且，凯氏带木质素完全消失的突变体表现出严重的生长迟缓，并且对多种非生物胁迫变得非常敏感。随后，研究人员克服重重困难，成功表达出这个引导蛋白复合体，并进行了体外木质素聚合实验，证实了引导蛋白直接参与木质素单体的聚合。

综合遗传学和生化方面的结果，在研究人员证实了引导蛋白是凯氏带处的木质素的聚合所必需的。该研究将人们对凯氏带的认知从分子层面推进至生化层面，同时，为引导蛋白调控木质素聚合的理论提供了有力的证据支持。

图丨引导蛋白和 SGN3 共同调控凯氏带的木质素合成和沉积（来源：Science）

除了基础理论层面的重要意义，该研究在粮食领域也具有潜在的应用价值。凯氏带作为植物水分和矿质元素运输中关键的筛选屏障，未来有望通过该研究的新机制改变凯氏带处的木质素成分，从而产生具有不同筛选功能的筛选屏障。

也就是说，让凯氏带成为离子有选择性地进或出的“大门”，一方面希望可以提高作物的肥料利用效率，减少肥料投入；同时能够提高作物籽粒的营养水平（例如富硒大米等），从源头改善人们的饮食健康。

另一方面，由于木质素的合成是一种自发行为，过去科学家们通常认为该过程是不可控的。而该研究中发现，引导蛋白能够调控木质素的聚合。因此，未来通过改造引导蛋白，实现对木质素的精准合成和调控。

“这需要利用更多结构生物学方面的知识进一步深入探索，看是否可通过改变氨基酸组成或蛋白的某种结构，实现改变木质素的特性。”该论文共同第一作者、英国诺丁汉大学牛顿学者博士表示。

图丨相关论文（来源：Science）

近日，相关论文以《一种直接蛋白复合物指导木质素聚合和根扩散屏障的组装》（）为题发表在 Science[1]。

英国诺丁汉大学博士和中国科学院分子植物科学卓越创新中心副研究员为该论文共同第一作者，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员、英国诺丁汉大学加布里埃尔·卡斯特里洛（）副教授和大卫·索尔特（）教授为该论文共同通讯作者。

图丨高轶群（来源：）

长期致力于研究包括凯氏带在内的扩散屏障形成的分子机制。该研究起源于 2020 年底，和在中国科学院分子植物科学卓越创新中心食堂的一次交流。当时，正在研究棉花中的引导蛋白。

“我们是同一级的博士同学，平常经常交流自己的研究进展。具有很强的生化和蛋白表达的背景，听到他在做棉花中的引导蛋白，我就问他有没有兴趣做拟南芥凯氏带的引导蛋白。”表示。

虽然他们研究的物种和关注的科学问题不同，但科学研究中总会有一种“殊途同归”的效果，可能最后会做到相似的机制上。

据悉，副研究员 2023 年 3 月，以通讯作者身份在 Nature Plants 报道了棉花引导蛋白调控棉酚分子手性的分子机制。

2021 年 4 月，他们正式启动该项研究。在研究过程中，最难的部分在于蛋白的表达和纯化。由于引导蛋白是一种细胞壁蛋白，它在常规的蛋白表达体系中极其不稳定。

在实验中，课题组成员发现蛋白会形成复合体，而如果想将在体外表达获得稳定的蛋白复合体非常困难。于是，他们先尝试了普通的蛋白表达和纯化方法实验（中性 pH 环境），发现未能实现有活性的可溶性蛋白。

后来，通过一次次改变 pH 环境，不断地优化实验的条件，最终获得了具有稳定活性的引导蛋白复合体。那段时间实验进入最关键的阶段，由于一次表达的蛋白种类很多，并且复合体一旦纯化出来就必须立刻进行活性实验。

“和文凯师弟经常从早上很早开始蛋白纯化，直到半夜木质素聚合实验的产物上机检测才能休息。这个成果的取得凝聚了所有作者的不懈努力和付出。”感慨道。

得到活性好的蛋白很困难，这可能也是领域内发展比较缓慢的原因之一。最后，直到论文投稿前不久，研究人员才拿到比较扎实的结论。

虽然在蛋白的表达和纯化的问题上“卡”了很久，但审稿人对该研究给予高度认可。从论文投稿到正式接收，只用了大概四个月时间。并且审稿人认为，该研究推进了对凯氏带结构形成的基础认识。

下一步，研究人员计划进一步探索植物其他木质化组织中引导蛋白的功能。例如，通过改变木质素直接增强细胞壁或细胞的支撑性，能够提高玉米、水稻、小麦等作物的抗倒伏性。

表示，“在现有理论基础上，再加上基因编辑或转基因手段，我相信可以方便、快速地推进到其他作物的应用中。”

参考资料：

1.Yi-Qun Gao,Jin-Quan Huang, et al. Science 382, 6669, 464-471（2023）. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032

运营/排版：何晨龙

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