2023年10月27日(北京時間)，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表了中國科學(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。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)分高效利用的未來作物分子設(shè)計提供了新理論。

　　凱氏帶是植物根部內(nèi)皮層細胞一種特化的細胞壁，主要由防水的木質(zhì)素構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)通過與內(nèi)皮層細胞質(zhì)膜緊密錨定在一起，形成調(diào)控植物水分和礦物質(zhì)擴散的關(guān)鍵屏障，具有極其重要的生物學(xué)功能：首先，它阻斷了外界水分和礦物質(zhì)無序擴散進入植物體內(nèi)，使得植物能夠?qū)λ趾臀镔|(zhì)的攝入進行合理的控制；其次，凱氏帶對內(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)元素的高效運輸。今年8月31日，晁代印研究組發(fā)現(xiàn)了水稻中凱氏帶與細胞質(zhì)膜錨定粘連的分子機制，但凱氏帶木質(zhì)素聚合和精準沉積的分子機制仍是一個長期懸而未決的重大科學(xué)問題。

　　此外，木質(zhì)素作為重要的生物能源物質(zhì)及固碳物質(zhì)，其合成機制關(guān)系到“雙碳”目標的實現(xiàn)。但長久以來關(guān)于木質(zhì)素單體的聚合過程始終存在巨大的爭論：一種觀點認為木質(zhì)素的聚合是一個隨機自發(fā)的過程，不受到蛋白因子的調(diào)控，即隨機聚合理論；另一種觀點則認為這一聚合過程受到引導(dǎo)蛋白的精準調(diào)控，但這一觀點此前始終缺乏嚴格的遺傳學(xué)證據(jù)支撐。

　　在該研究中，研究人員在擬南芥中鑒定到一組（6個）在根內(nèi)皮層細胞特異表達的引導(dǎo)蛋白 (DPs)，并且該組DPs全部定位在凱氏帶。通過遺傳分析并結(jié)合凱氏帶木質(zhì)素染色觀察，發(fā)現(xiàn)這組DPs是調(diào)控木質(zhì)素在凱氏帶處精準沉積的決定性因子，也是維持凱氏帶與細胞質(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，同時凱氏帶處細胞膜和細胞壁的緊密連接消失（圖1），使其喪失了作為水分和礦質(zhì)元素擴散屏障的功能，并嚴重擾亂了植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素穩(wěn)態(tài)，同時降低了植物對包括鹽脅迫、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。隨后，研究人員通過遺傳證據(jù)和拉曼光譜實驗分析證實，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)的。最后，通過分子生物學(xué)、生物化學(xué)和體外木質(zhì)素聚合實驗，研究者確認這組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）。

　　這一研究結(jié)果將人們對凱氏帶形成及其木質(zhì)素沉積過程的認知由此前的細胞層面拓展至更為基礎(chǔ)的生化層面，并鑒定出第一個直接調(diào)控凱氏帶處木質(zhì)素聚合的蛋白復(fù)合體。這也是首次通過遺傳學(xué)證據(jù)證實凱氏帶處木質(zhì)素的產(chǎn)生和沉積過程需要DPs復(fù)合體的直接參與（圖3）。這些結(jié)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)，大大加深了人們對于木質(zhì)素聚合過程的理解。同時，這一研究拓展了人們對凱氏帶調(diào)控植物水分和礦質(zhì)營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)的理解，并為未來通過生物技術(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。

　　英國諾丁漢大學(xué)植物與作物科學(xué)系高軼群博士和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃金泉副研究員為該論文的共同第一作者。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究員，英國諾丁漢大學(xué)Gabriel Castrillo副教授和David Salt教授為該論文的通訊作者。此外，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳曉亞研究員、法國國家科學(xué)研究中心LIPME研究所Guilhem Reyt博士、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)薛培英副教授等也參與了該項工作。該研究得到英國皇家學(xué)會牛頓國際基金項目，英國皇家學(xué)會牛頓基金高級學(xué)者項目，國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項，國家重點研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目資助。

　　論文鏈接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032

 
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)素聚合的分子機制