细胞壁乙酰化修饰调控机制研究中取得重要进展
2017/3/7 

 细胞壁是植物细胞特征性结构之一,不仅在形态建成、器官发育及信号传导中发挥重要作用,还是植物直立生长、营养运输、抵抗病虫害及适应逆境的物质基础。此外,细胞壁构成地球上最丰富的可再生资源,为人们提供赖以生存的食物、日常用品、建筑材料和工业原料等。 

 

  乙酰化是一种广泛存在于植物细胞壁上的修饰形式,介导分子间交联构建有功能的细胞壁高级结构,从而成为调节植物生长发育的重要因子。研究发现,细胞壁上乙酰化修饰的丰度及分布在不同植物及不同发育阶段被严格调控,表明该修饰的重要性。近年来已有少数多糖乙酰基转移酶被发现,使其成为植物学研究领域的学科前沿。植物要维持细胞壁上一定的乙酰化水平和分布,势必还需有乙酰酯酶的存在,但细胞壁合成去乙酰化酶一直未被发现。 

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所周奕华研究组与储成才研究组利用分子遗传学、生物化学和细胞生物学等手段,发现了一个能负调控木聚糖乙酰化水平的酶。水稻脆鞘突变体bs1具有脆鞘、矮生等表型。图位克隆发现BS1基因编码一个GDSL酯酶家族(Plant GDSL lipase/esterase-like family)成员,定位于多糖“合成工厂”高尔基体上。通过对野生型和突变体细胞壁成分与结构进行深入细致的植物化学分析发现,bs1突变体细胞壁中总乙酰酯含量升高,且差异来自水稻中最主要的半纤维素木聚糖。核磁共振(HSQC)分析进一步明确了突变体中乙酰化修饰变异的位置。重组BS1蛋白具有特异的木聚糖乙酰酯酶活性,反应产物得到了液相质谱(LC-QTOF)和核磁共振分析的验证,表明BS1确为木聚糖乙酰酯酶。BS1在富含次生壁的维管束和厚壁组织中高表达,影响木质部导管的结构,进而影响植株形态和粒重等农艺性状(图 1)。 

 

  这项研究不仅发现细胞壁乙酰化修饰存在去乙酰化过程,也第一次提出了细胞壁乙酰化修饰调控的新理论、即“双向调控”理论,还赋予了GDSL酯酶这一类古老超家族中大量功能未知蛋白新的功能。除了理论上的突破外,该研究揭示了细胞壁乙酰化修饰调控对细胞壁功能维持的重要性,为水稻等作物高产优质分子设计育种提供了新的基因资源和理论基础 

 

  这项成果于201733Nature Plants杂志发表(DOI: 10.1038/nplants.2017.17)同期Nature Plants 还发表了美国劳伦斯伯克利国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory) Henrik V. Scheller教授为该文写的新闻与观点(News & Views)专评文章Plant cell wall: Never too much acetate,高度评价该文,认为“该文给人们带来很多惊喜(it has many surprises)(DOI: 10.1038/nplants.2017.24)。该文通讯作者是周奕华研究员和储成才研究员,周奕华研究组副研究员张保才、博士生张兰军和储成才研究组的博士毕业生李峰为共同第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院先导专项和青促会的资助。  

 

  

  1. BS1是木聚糖去乙酰酯酶,调控乙酰化水平和次生壁结构与功能