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周奕華研究組在細胞壁高級結構形成調控研究中取得新進展

  細胞壁是多糖組成的複雜網絡結構,這些多糖經折疊、交聯,形成適應植物生長發育所需的細胞壁高級結構。研究細胞壁高級結構形成的精准調控機制是植物學新的學科前沿。 

 

  乙酰化是一种广泛存在于细胞壁多糖上的修饰形式,可控制多糖构象及多聚物间的交联,对高级结构的构建至关重要,成为解析细胞壁结构及其功能的突破口。阿拉伯木聚糖是水稻最主要的半纤维素,能结合纤维素和木质素。而乙酰化修饰对木聚糖构象及其与其他细胞壁成分的结合具有重要调控作用。但由于所鉴定的相关酶极为有限,细胞壁乙酰化修饰控制机制仍不清楚。中國科學院遗传与发育生物学研究所周奕华研究组于2017年在Nature Plants上報道了木聚糖主鏈乙酰酯酶BS1,揭開了多糖乙酰化精准控制研究的帷幕。 

 

  在此基礎上,周奕華研究組通過對水稻微粒體蛋白進行分離和酶活測定,獲得木糖和阿拉伯糖酯酶活性較高的分離相,輔以質譜分析,從BS1所屬的GDSL酯酶家族中篩選出參與阿拉伯糖去乙酰化修飾的候選蛋白DARX1。遺傳證據表明,DARX1突變造成木聚糖側鏈阿拉伯糖上乙酰基特異增加,而異常的乙酰基能被酵母中表達的DARX1重組蛋白去除,明確其爲阿拉伯糖乙酰酯酶。更重要的是,對細胞壁高級結構進行固相核磁和原子力顯微鏡觀察,發現DARX1突變所引發的阿拉伯糖側鏈過度乙酰化導致木聚糖構象改變,進而擾動導管細胞中纖維素微纖絲的排布和功能。 

 

  該研究發現了具有新活性的多糖乙酰酯酶DARX1;它作用于木聚糖側鏈,調控木聚糖構象及與纖維素等細胞壁多聚物的交聯方式,進而控制細胞壁高級結構與功能。因此,DARX1的功能鑒定對揭示細胞壁高級結構的調控機理具有重要的意義。DARX1還可調控纖維細胞和木質部導管的發育,改變水稻植株的機械強度,因而爲改良作物抗倒伏性和分子設計育種提供了依據。 

 

  該研究于2019319日以題爲Arabinosyl Deacetylase Modulates the Arabinoxylan Acetylation Profile and Secondary Wall Formation發表在The Plant Cell雜志上(DOI: 10.1105/tpc.18.00894)。周奕華組工作人員張蘭軍博士爲該論文的第一作者,張保才副研究員和周奕華研究員爲通訊作者。該研究還得到路易斯安娜州立大學王拓教授和美國國家強磁場實驗室Frederic Mentink-Vigier博士的幫助。該項工作得到了國家自然科學基金和青促會的支持。 

    

: 阿拉伯糖乙酰酯酶DARX1調控水稻木聚糖乙酰化和細胞壁高級結構