10月27日，《科學(xué)》（Science）在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組與英國(guó)諾丁漢大學(xué)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(dǎo)蛋白（Dirigent proteins，DPs）在植物凱氏帶建成和木質(zhì)素聚合中的關(guān)鍵作用，為水分和養(yǎng)分高效利用的未來(lái)作物分子設(shè)計(jì)提供了新理論。

凱氏帶是植物根部?jī)?nèi)皮層細(xì)胞一種特化的細(xì)胞壁，主要由防水的木質(zhì)素構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)通過(guò)與內(nèi)皮層細(xì)胞質(zhì)膜緊密錨定在一起，形成調(diào)控植物水分和礦物質(zhì)擴(kuò)散的關(guān)鍵屏障，具有重要的生物學(xué)功能：凱氏帶阻斷了外界水分和礦物質(zhì)無(wú)序擴(kuò)散進(jìn)入植物體內(nèi)，使得植物能夠?qū)λ趾臀镔|(zhì)的攝入進(jìn)行合理的控制；凱氏帶對(duì)內(nèi)皮層質(zhì)外體空間的封閉作用，阻止了維管系統(tǒng)中水分和礦質(zhì)元素向外泄漏，保障了維管組織中水分和礦質(zhì)元素的高效運(yùn)輸。8月31日，晁代印研究組發(fā)現(xiàn)了水稻中凱氏帶與細(xì)胞質(zhì)膜錨定粘連的分子機(jī)制，但凱氏帶木質(zhì)素聚合和精準(zhǔn)沉積的分子機(jī)制仍是懸而未決的科學(xué)問(wèn)題。

此外，木質(zhì)素是重要的生物能源物質(zhì)及固碳物質(zhì)，但關(guān)于木質(zhì)素單體的聚合過(guò)程始終存在爭(zhēng)論。一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為木質(zhì)素的聚合是一個(gè)隨機(jī)自發(fā)的過(guò)程，不受到蛋白因子的調(diào)控，即隨機(jī)聚合理論；另一種觀(guān)點(diǎn)則認(rèn)為這一聚合過(guò)程受到引導(dǎo)蛋白的精準(zhǔn)調(diào)控，但這一觀(guān)點(diǎn)缺乏嚴(yán)格的遺傳學(xué)證據(jù)支撐。

該研究在擬南芥中鑒定到一組（6個(gè)）在根內(nèi)皮層細(xì)胞特異表達(dá)的引導(dǎo)蛋白（DPs），且該組DPs全部定位在凱氏帶。研究通過(guò)遺傳分析并結(jié)合凱氏帶木質(zhì)素染色觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，這組DPs是調(diào)控木質(zhì)素在凱氏帶處精準(zhǔn)沉積的決定性因子，也是維持凱氏帶與細(xì)胞質(zhì)膜緊密連接的必需因子。DPs突變體中凱氏帶處木質(zhì)素的沉積發(fā)生明顯異常，同時(shí)凱氏帶處細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的緊密連接消失（圖1），使其喪失了作為水分和礦質(zhì)元素?cái)U(kuò)散屏障的功能，并嚴(yán)重?cái)_亂了植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素穩(wěn)態(tài)，降低了植物對(duì)包括鹽脅迫、滲透脅迫、低濕度脅迫等在內(nèi)的多種非生物脅迫環(huán)境的適應(yīng)性。進(jìn)一步，研究通過(guò)遺傳證據(jù)和拉曼光譜實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)，凱氏帶處的木質(zhì)素的產(chǎn)生是由DPs途徑和SCHENGEN途徑共同介導(dǎo)。最后，通過(guò)分子生物學(xué)、生物化學(xué)和體外木質(zhì)素聚合實(shí)驗(yàn)，研究確認(rèn)這組DPs成員間可以形成異源三聚體，并證明這些DPs是木質(zhì)素單體自由基聚合所必需的（圖2）。

上述研究將科學(xué)家對(duì)凱氏帶形成及其木質(zhì)素沉積過(guò)程的認(rèn)知由此前的細(xì)胞層面拓展至更為基礎(chǔ)的生化層面，并鑒定出第一個(gè)直接調(diào)控凱氏帶處木質(zhì)素聚合的蛋白復(fù)合體。這是首次通過(guò)遺傳學(xué)證據(jù)證實(shí)凱氏帶處木質(zhì)素的產(chǎn)生和沉積過(guò)程需要DPs復(fù)合體的直接參與（圖3）。這些成果為DPs調(diào)控木質(zhì)素聚合理論提供了直接的遺傳學(xué)和生物化學(xué)證據(jù)，加深了人們對(duì)于木質(zhì)素聚合過(guò)程的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，這一研究拓展了人們對(duì)凱氏帶調(diào)控植物水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)穩(wěn)態(tài)的理解，并為未來(lái)通過(guò)生物技術(shù)手段創(chuàng)制水分和養(yǎng)分高效利用的作物新品種提供了重要靶點(diǎn)。

研究工作得到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓國(guó)際基金項(xiàng)目、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓基金高級(jí)學(xué)者項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)等的科研人員參與研究。

論文鏈接

圖1.?引導(dǎo)蛋白是凱氏帶形成（A）以及凱氏帶和質(zhì)膜緊密連接（B）所必需的

圖2.?引導(dǎo)蛋白直接參與木質(zhì)素的聚合

圖3.?Dirigent protein復(fù)合體調(diào)控凱氏帶發(fā)育和木質(zhì)素聚合的分子機(jī)制