Science Advances | 广西大学夏继星课题组揭示植物根系凯氏带形成与内皮层蛋白稳态维持的分子基础

蛋白质稳态是维持细胞正常生理功能的基础，其稳定与否直接决定蛋白质的结构、定位、丰度与活性，是细胞应对内外环境胁迫的关键保障。近年来，研究发现植物根内皮层凯氏带相关蛋白的稳态维持，对根系屏障结构完整性、离子选择性转运及抗逆性至关重要，其稳态失衡会导致矿质元素吸收紊乱。然而，植物根系维持凯氏带相关蛋白稳态的分子机制，以及凯氏带形成对其他蛋白稳态的调控作用，目前仍不清楚。

近日，广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室夏继星课题组在国际著名学术期刊Science Advances在线发表了题为The GAPLESS-OsCASP complex mediates Casparian strip formation for proper localization and abundance of endodermal proteins in rice的研究论文。该研究揭示了水稻内皮层凯氏带的形成依赖于GAPLESS-OsCASP复合物对相关蛋白稳态的维持，并且这一过程对调控内皮层蛋白的定位与丰度起着决定性作用。

图1 木质素、GAPLESS1和OsCASP1在野生型、gapless1,2,3及Oscasp1,2,3,5突变体内皮层中累积与定位模式分析

本研究发现，GAPLESSs和OsCASPs能相互作用形成紧密复合物聚集在凯氏带结构域区。GAPLESS1/2/3在野生型根内皮层中特异性表达，最初呈“珍珠状”不连续定位于内皮层细胞的垂周侧中央，最终形成连续带状结构，这一动态定位模式与OsCASP1高度一致，但GAPLESS1/2/3在内皮层细胞垂周侧中央的极性定位要早于OsCASP1。同时敲除GAPLESS1/2/3或OsCASP1/2/3/5均导致凯氏带起始延迟、补偿性木质素和木栓质过度累积以及细胞膜-细胞壁的黏附显著减弱（图1 A-D）。洋葱细胞中的质壁分离实验显示，GAPLESS1/2/3和OsCASP1/2/3/5两类蛋白家族均能与细胞壁发生黏连，并且OsCASPs蛋白家族与细胞壁的黏附能力更强（图1 E）。GFP免疫染色发现，在gapless1,2,3三突变体根中，OsCASP1在内皮层多数细胞中呈现均匀质膜分布，仅在部分较成熟的内皮层细胞中保留弱极性的“珍珠状”定位，且蛋白丰度显著降低；质壁分离后，聚集于凯氏带结构域的OsCASP1仍与细胞壁紧密结合，而弥散分别于质膜的OsCASP1则可与细胞壁分离。在Oscasp1,2,3,5四突变体根中，GAPLESS1也表现出类似的定位异常与丰度降低（图1 F-G）。以上结果表明，GAPLESS与OsCASP蛋白通过形成相互依赖的复合体调控彼此的定位和丰度，进而介导内皮层凯氏带的起始、木质化以及细胞膜‑细胞壁黏附。

图2 OsSGN3a、Lsi1和木栓质在野生型、gapless1,2,3及 Oscasp1,2,3,5突变体内皮层中的定位与累积分析

进一步研究发现，GAPLESS‑OsCASP复合体介导的凯氏带完整性对于维持离子稳态、保证多个内皮层表达蛋白（如OsSGN3a和硅转运蛋白Lsi1）的正确定位与丰度至关重要。结果显示，凯氏带形成关键蛋白OsSGN3a在野生型根中聚集于凯氏带结构域区域，而在gapless1,2,3三突变体和Oscasp1,2,3,5四突变体根中均匀定位于内皮层细胞质膜，且丰度显著降低（图2 A-C）。同时，硅转运蛋白Lsi1不仅蛋白丰度降低，还能够穿过内皮层细胞的垂周侧中央，说明它的侧向极性定位已破坏（图2 D1-F1）。进一步遗传与组织化学分析显示，内皮层细胞中 Lsi1 的积累依赖于细胞的木栓质化程度，在凯氏带功能缺陷的突变体里，该过程主要由 OsSGN3a/b 信号通路所调控（图2 G-I）。上述结果构建了GAPLESS‑OsCASP复合体介导的凯氏带完整性、木栓质积累、Lsi1表达与OsSGN3介导的信号通路之间的内在关联（图3）。

图3 GAPLESS-OsCASP调控根不同位置的凯氏带空间发育、木栓质沉积、蛋白定位及矿质元素吸收的模式图

该研究是夏继星团队继水稻凯氏带形成机制取得系列成果后（Plant Cell，2019，2022，2024，2025），在该领域的又一重要进展。本研究为全面解析水稻内皮层凯氏带形成的分子机制提供了新视角，并为揭示凯氏带完整性在调控植物蛋白定位与丰度中的作用提供了新见解。

广西大学作物学博士后张宝磊、广西大学生命科学与技术学院博士生孙小倩、广西医科大学教师孟春梅为论文共同第一作者，夏继星教授为本文的通讯作者。该工作得到了华南农业大学刘耀光院士的帮助和指导。该研究得到了国家自然科学基金、广西自然科学基金、广西研究生教育创新计划等项目资助。

参考文献:

[1] Wang Z, Yamaji N, Huang S, et al. OsCASP1 Is Required for Casparian Strip Formation at Endodermal Cells of Rice Roots for Selective Uptake of Mineral Elements[J]. Plant Cell, 2019,31(11):2636-2648.

[2] Wang Z, Zhang B, Chen Z, et al. Three OsMYB36 members redundantly regulate Casparian strip formation at the root endodermis[J]. Plant Cell, 2022,34(8):2948-2968.

[3] Zhang B, Xin B, Sun X, et al. Small peptide signaling via OsCIF1/2 mediates Casparian strip formation at the root endodermal and nonendodermal cell layers in rice[J]. Plant Cell, 2024,36(2):383-403.

[4] Chen X, Liu K, Luo T, et al. Four MYB transcription factors regulate suberization and nonlocalized lignification at the root endodermis in rice[J]. The Plant Cell, 2025, 37: koae278.

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb7840