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未來作物分子設(shè)計(jì)及高效碳匯植物創(chuàng)制有了新理論
10月27日，《科學(xué)》在線發(fā)表中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員晁代印小組與英國諾丁漢大學(xué)教授David Salt小組合作研究成果。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)闡明了引導(dǎo)蛋白（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(jì)以及創(chuàng)制高效碳匯植物提供了新的理論。
擬南芥相關(guān)突變體的生長(zhǎng)表型。受訪者供圖
凱氏帶是植物根部?jī)?nèi)皮層細(xì)胞一種特殊的木質(zhì)化細(xì)胞壁，它通過與內(nèi)皮層細(xì)胞質(zhì)膜緊密錨定在一起，形成控制植物水分和礦物質(zhì)擴(kuò)散的關(guān)鍵屏障，具有極其重要的生物學(xué)功能。
8月31日，晁代印研究組發(fā)現(xiàn)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)制仍是個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的重大科學(xué)問題。此外，木質(zhì)素作為地球上碳密度最高、疏水性最強(qiáng)、穩(wěn)定性最好、占比最高的生物碳匯之一，其合成機(jī)制同時(shí)也是關(guān)系到“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重大科學(xué)問題。但長(zhǎng)久以來，由于木質(zhì)素的高度復(fù)雜性，其聚合機(jī)理一直是植物領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
在該研究中，研究人員在擬南芥中鑒定到6個(gè)定位于根內(nèi)皮層細(xì)胞凱氏帶的引導(dǎo)蛋白。利用一系列分子遺傳學(xué)、離子組學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的前沿技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)這組蛋白是調(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。這類引導(dǎo)蛋白如果突變會(huì)直接影響凱氏帶的形成及凱氏帶處的膜-壁緊密連接，進(jìn)而嚴(yán)重?cái)_亂植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素平衡和植物對(duì)鹽旱逆境的適應(yīng)性。隨后，研究人員還通過分子生物學(xué)和生物化學(xué)技術(shù)，確認(rèn)這些引導(dǎo)蛋白成員間可以形成異源三聚體，并直接催化木質(zhì)素單體聚合，形成木質(zhì)素。
“該研究刷新了人們對(duì)凱氏帶形成過程的認(rèn)知，并首次證實(shí)引導(dǎo)蛋白參與了木質(zhì)素聚合。”晁代印告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“這不僅大大加深了人們對(duì)于木質(zhì)素聚合過程的理解，同時(shí)也拓展了人們對(duì)凱氏帶調(diào)控植物水分和礦質(zhì)營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)的理解。”
此外，木質(zhì)素聚合以及凱氏帶形成都不僅是植物學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)問題，同時(shí)也具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
數(shù)十年來，大量木質(zhì)素基因工程嘗試改造植物木質(zhì)素的組成，然而由于植物木質(zhì)素單體及其衍生物的毒副作用、木質(zhì)素異位沉積造成的營養(yǎng)和水分運(yùn)輸障礙以及人們對(duì)于木質(zhì)素聚合過程認(rèn)識(shí)的缺乏，相關(guān)進(jìn)展極其緩慢。
另外，凱氏帶對(duì)于作物的營養(yǎng)利用效率和鹽旱逆境的適應(yīng)性方面具有巨大作用，因此也是培育高產(chǎn)高效、營養(yǎng)耐逆作物品種的重要靶點(diǎn)。而這一研究突破無疑會(huì)對(duì)這些努力產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。
相關(guān)論文信息：http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032
