浙江大学李保海课题组揭秘钙营养协助侧根突破内皮层的调控机制

在植物根系的发育版图中，侧根的生长是一场精准的“突围战”。 在模式植物拟南 芥 中， 从起源于中柱鞘细胞的侧根原基，到最终穿透内皮层、皮层和表皮的完整侧根，每一步都依赖于对周围环境信号的精准响应。 其中，内皮层的凯氏带——一道由木质素构成的坚韧屏障，既是保护根内部稳态的“防线”，也是侧根突破过程中最棘手的“关卡”。

近日， 浙江大学环境与资源学院 李保海研究员 课题组 在New Phytologist发表了题为 Endodermal lignification coordinates with root calcium levels to govern lateral root emergence 的研究论文， 揭示了钙营养与凯氏带如何通过调控内皮层木质化，共同决定侧根能否成功 “突围”内皮层，为理解植物根系适应营养环境的机制提供了新视角。

低钙困境 ：侧根 原基 困在内皮层

钙对植物新生组织和器官的发育至关重要，缺钙会导致地上部幼叶卷曲、花芽败育，地下部则表现为根尖坏死、侧根形成受阻。在拟南 芥 中， 侧根原基突破皮层和表皮时，可通过诱导细胞壁重塑酶软化细胞实现“分离突围”，但面对内皮层的凯氏带 （ 木质素结构无法被 植物 酶解 ） 却束手无策，只能通过挤压细胞形变并使凯氏带局部断裂才能穿越。

作者 观察到一个现象： 除了 sgn4/rbohf 外 ，多种 凯氏带功能缺陷突变体在低钙环境下 侧根生长 显著 受抑制 。分析发现，同时 存在 “补偿性木质化”（凯氏带破损后 ， 内皮层细胞额外沉积木质素 来弥补屏障功能的缺陷 ） 和 增强木栓质沉积的凯氏带缺陷 突变体 ， 其侧根生长对 低钙 条件 超 敏感 （图1）。 不同养分缺乏 实验显示，低镁、低钾处理并未使 这些 凯氏带缺陷突变体表现出类似的侧根 形成 敏感表型， 表 明这一现象是钙特异性的。

作者 通过 Fluorol Yellow 088染色 和 透射电镜 观察 发现 ， 这些突变中木栓质沉积增强是组成型的，不受 低钙 处理 诱导；而 通过 Basic Fuchsin 染色 和 木质素 自发荧光 发现 ， 低钙 可以诱导 凯氏带缺陷突变体的 覆盖 侧根原基 的 内皮层木质化程度异常升高。

图1. 多种凯氏带功能缺陷突变体的侧根生长表现出低钙超敏感性

从现象到机制：追踪“木质壁垒”的调控 机制

为 验证“ 低钙诱导的内皮层 过度木质化是否 成为 侧根 原基突破内皮层的壁垒 ” ， 作者 进行了外源施用胡椒酸（一种木质素合成抑制剂）的实验 。 结果显示， 在 低钙条件下， 10 μM 胡椒酸处理能显著减少 凯氏带缺陷突变体 内皮层的木质素沉积 ，并且 侧根也能恢复生长。 通过对木质化相关基因的筛选和验证， 作者 锁定了一个受体激酶——SGN3 （ 能感知 凯氏带 屏障破损并启动补偿性木质化 ） 。 通过 对 pSGN 3 : SGN3-GFP 报告基因的观察 发现，SGN3 蛋白 在 覆盖 侧根原基 的 内皮层 中特异性 高 表达 ， 且 低钙条件下 表达 进一步增强，在凯氏带缺陷突变体中 尤为 显著。因此， 作者 推测SGN 3 很可能 参与调控 覆盖 侧根原基 的 内皮层 木质化 。 随后，作者 在凯氏带缺陷突变体背景中敲除 SGN3 ，显著 降低 了 内皮层 木质化程度 ，即使在低钙 条件下 ，凯氏带缺陷突变体的侧根 仍能 恢复生长 （图 2 ） 。 这 些 结果证明， 低钙诱导的 内皮层过度木质化 受SGN 3 的调控，并且 是 凯氏带缺陷突变体的 侧根突破 内皮层 受阻的 主要 原因。

图2. SGN3调控侧根原基覆盖的内皮层细胞过度木质化，阻碍了凯氏带缺陷突变体的侧根形成

凯氏带 局部调控 侧根发育的新功能

侧根原基 突破过程受到地上部生长状态影响， 很大程度上依赖 于 地上部合成的生长素 与 碳水化合物。 然而， 出乎意料的是， 敲除 SGN3 后，尽管侧根生长得以恢复， 但是 地上部的钙含量 及其 生长状态 却 并未改善 （图3）。 这一结果表明，凯氏带对侧根突破内皮层的调控并非依赖 于地上部钙水平及其生长 状态。 这 也 明显不同于 对凯氏带功能的 传统 的认识 ， 即 凯氏带通过调控 根部养分的转运效率 调控 地上部养分稳态 ，从而系统性影响植物的 生长状态 与环境适应性 。 因此，该研究揭示凯氏带除了作为“质外体运输屏障”的经典功能外，还具备“局部调控侧根发育”的新功能。

这一发现突破了对凯氏带功能的经典认知，揭示凯氏带不仅是质外体运输的屏障，也是调控根系发育的“信号灯”。在低钙胁迫下，通过SGN3介导的木质化响应调控侧根原基突破内皮层的过程，这一机制为理解植物如何协调营养状态与根系发育提供了新框架。

图3 低钙条件下凯氏带调控侧根原基突破内皮层的模式图

浙江大学环境与资源学院博士生 赖雨秋 为论文第一作者， 李保海 研究员为通讯作者。浙江大学环境与资源学院冯志航助理研究员、林咸永教授，中国科学院南京土壤所施卫明研究员和美国Salk生物研究所Wolfgang Busch教授为共同作者。该工作得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金等基金的资助。

论文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.70279