東北林業(yè)大學(xué)程玉祥團(tuán)隊揭示楊樹次生壁纖維素合酶在木材次生壁、應(yīng)拉木G層和韌皮纖維壁結(jié)構(gòu)上的功能責(zé)編|王一纖維素是地球上最豐富的生物質(zhì)資源，木材是自然界一類最多的纖維素原料，其纖維素被推定由次生壁纖維素合酶(secondarycellwall

東北林業(yè)大學(xué)程玉祥團(tuán)隊揭示楊樹次生壁纖維素合酶在木材次生壁、應(yīng)拉木G層和韌皮纖維壁結(jié)構(gòu)上的功能

責(zé)編 | 王一

纖維素是地球上最豐富的生物質(zhì)資源，木材是自然界一類最多的纖維素原料，其纖維素被推定由次生壁纖維素合酶(secondary cell wall cellulose synthase, SCW CesA)參與合成。長期以來，由于難以創(chuàng)制樹木基因的敲除突變體，限制了人們對木材SCW CesAs確定及功能解析。此外，被子植物樹木在傾斜樹干的上面形成應(yīng)拉木(tension wood, TW)，與正常木材相比應(yīng)拉木纖維發(fā)育出厚厚的膠質(zhì)層(gelatinous layer, G層)，由高度結(jié)晶的纖維素構(gòu)成(約85%)，成為了一種非常有工業(yè)前景的生物燃料。然而，負(fù)責(zé)應(yīng)拉木G層纖維素合成的CesAs是否與次生壁的相同？

近日，林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北林業(yè)大學(xué)）程玉祥團(tuán)隊在New phytologist在線發(fā)表了題為Functional understanding of secondary cell wall cellulose synthases in Populus trichocarpa via the Cas9/gRNA induced gene knockouts的研究論文，揭示了楊樹次生壁纖維素合酶 (SCW CesAs) 在木材次生壁、應(yīng)拉木G層和韌皮纖維壁結(jié)構(gòu)上的功能。

該研究通過Cas9/gRNA基因編輯技術(shù)，創(chuàng)制了楊樹5個SCW PtrCesAs基因的多個敲除突變體。ptrcesa4、7a/b和8a/b突變體都具有匍匐生長，喪失頂端優(yōu)勢，矮小成垂枝的盆景樹特征（圖1），而ptrcesa7a、7b、8a和8b突變體幾乎沒有生長缺陷。這些遺傳證據(jù)表明PtrCesA7A和7B、PtrCesA8A和8B功能冗余，而PtrCesA4、7A/B和8A/B功能相同且非冗余。Western blot結(jié)果顯示，在楊樹次生木質(zhì)部刪除任何一類SCW PtrCesAs (PtrCesA4, 7A/B或8A/B)降低了其他兩類蛋白質(zhì)水平，表明PtrCesA4、7A/B和8A/B三類SCW PtrCesAs構(gòu)成了次生木質(zhì)部纖維素合酶復(fù)合體(cellulose synthase complex，CSC)核心成分。透射電鏡分析顯示ptrcesa4、7a/b和8a/b突變體木材細(xì)胞壁為薄薄的單層結(jié)構(gòu)，突變體木材纖維素含量從正常木材的42%減少至4%，表明木材纖維素的合成完全由PtrCesA4、7A/B和8A/B負(fù)責(zé)。應(yīng)拉木誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)顯示ptrcesa4、7ab和8ab出現(xiàn)偏心生長，導(dǎo)管數(shù)量減少的應(yīng)拉木特征，但纖維沒有形成G層，表明負(fù)責(zé)應(yīng)拉木G層纖維素合成的CSC，也招募了PtrCesA4、7A/B和8A/B三類SCW PtrCesAs。此外，ptrcesa4、7a/b和8a/b突變體初生和次生韌皮纖維失去了n(G + L)和G層，卻保留了較厚的S層。結(jié)合細(xì)胞壁多糖免疫定位結(jié)果表明，PtrCesA4、7A/B和8A/B對于應(yīng)拉木纖維G層形成和韌皮纖維細(xì)胞壁的獨(dú)特結(jié)構(gòu)是必不可少的。

圖1 毛果楊ptrcesa4、 ptrcesa7a/b和 ptrcesa8a/b 突變體表型

綜上所述，該研究通過解剖學(xué)、免疫組織化學(xué)和木材成分證據(jù)，在遺傳水平上解析了楊樹5個SCW PtrCesAs基因功能，確認(rèn)了PtrCesA4、7A/B和8A/B在功能上是相同且不冗余，表明了樹木次生壁CSC核心組分CesAs的構(gòu)筑體系。研究同時展示了阻斷纖維素生物合成，嚴(yán)重?fù)p害了樹木正常生長、木材G-纖維形成、完整的次生壁多層結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的韌皮纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。

東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院博士研究生徐文晶為該論文第一作者，林學(xué)院林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程玉祥教授為通訊作者，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所周奕華課題組幫助測定了木材半纖維素含量。該研究得到國家重點(diǎn)研究發(fā)展計劃 (2016YFD0600106)、國家自然科學(xué)基金 (31570580，31770637) 和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(2572018CL01) 等項目的資助。

論文鏈接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17338