中英科学家合作破解木质素聚合之谜

中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究组与英国诺丁汉大学David Salt研究组合作，阐明了引导蛋白（DPs）在植物凯氏带建成和木质素聚合中的关键作用，为水分和养分高效利用的未来作物分子设计以及创制高效“碳汇”植物提供了新的理论。相关论文日前在国际顶尖学术期刊《科学》在线发表。

凯氏带是植物根部内皮层细胞一种特殊的木质化细胞壁，它通过与内皮层细胞质膜紧密锚定在一起，形成控制植物水分和矿物质扩散的关键屏障，具有极其重要的生物学功能。今年8月31日，晁代印研究组发现了水稻中凯氏带与细胞质膜锚定黏连的分子机制，但凯氏带木质素聚合和精准沉积的分子机制仍是一个长期悬而未决的重大科学问题。此外，木质素作为地球上碳密度最高、疏水性最强、稳定性最好、占比最高的生物碳汇之一，其合成机制同时也是关系到“双碳”目标实现的重大科学问题。但长久以来，由于木质素的高度复杂性，其聚合机理一直是植物领域的重点和难点。

在该研究中，研究人员在拟南芥中鉴定到一组（6个）定位于根内皮层细胞凯氏带的引导蛋白。利用一系列分子遗传学、离子组学和细胞生物学的前沿技术，研究者发现这组蛋白是调控木质素在凯氏带处精准沉积的决定性因子，也是维持凯氏带与细胞质膜紧密连接的必需因子。这类引导蛋白如果突变会直接影响了凯氏带的形成以及凯氏带处的膜-壁紧密连接，进而严重扰乱了植物体内的矿质元素平衡和植物对盐旱逆境的适应性。随后，研究人员还通过分子生物学和生物化学技术，确认这些引导蛋白成员间可以形成异源三聚体，并直接催化木质素单体聚合，形成木质素。

这一研究结果刷新了人们对凯氏带形成过程的认知，并首次证实木质素的聚合是由引导蛋白参与的。这不仅大大加深了人们对于木质素聚合过程的理解，同时也拓展了人们对凯氏带调控植物水分和矿质营养稳态的理解。此外，木质素聚合以及凯氏带形成都不仅是植物学领域基础科学问题，同时也具有极高的应用价值。数十年来，大量木质素基因工程尝试改造植物木质素的组成，然而由于植物木质素单体及其衍生物的毒副作用、木质素异位沉积造成的营养和水分运输障碍以及人们对于木质素聚合过程认识的缺乏，相关进展极其缓慢。另外，凯氏带对于作物的营养利用效率和盐旱逆境的适应性方面具有巨大作用，因此也是培育高产高效、营养耐逆作物品种的重要靶点。而这一研究突破无疑会对这些努力产生巨大的推动作用。