揭秘木质素合成机制，中国科学院新突破助力双碳和未来作物

中国巨树云南黄果冷杉等身照，高度83.4米。  摄影及合成：“野性中国”工作室 

木质素是地球上碳密度最高、疏水性最强、稳定性最好、占比最高的生物碳汇之一，其合成机制关系到“双碳”目标（碳达峰、碳中和）的实现。

数十年来，人们通过基因工程等方法尝试改造植物木质素的组成，然而由于人们对于木质素聚合过程认识的缺乏等原因，相关进展极其缓慢。

凯氏带是植物根部内皮层细胞一种特殊的木质化细胞壁，它与细胞质膜紧密锚定，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。

10月27日，澎湃科技从中国科学院分子植物科学卓越创新中心获悉，该中心晁代印研究组与英国诺丁汉大学大卫·索尔特（David Salt）研究组合作，研究发现引导蛋白（Dirigent proteins，DPs）在植物凯氏带建成和木质素聚合中的关键作用，从而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。

前述研究成果27日在线发表在国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上，论文标题是《引导蛋白复合物指导木质素的聚合和根部扩散屏障的组装》（A dirigent protein complex directs lignin polymerization and assembly of the root diffusion barrier）。

稍早前，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粘连的分子机制，但凯氏带木质素聚合和精准沉积的分子机制仍然悬而未决。

在最新发表的研究中，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。

拟南芥相关突变体的生长表型。

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。

Dirigent protein 复合体调控凯氏带发育和木质素聚合的分子机制。受访者供图

这一研究结果刷新了人们对凯氏带形成过程的认知。

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。

该研究大大加深了人们对于木质素聚合过程的理解，首次证实木质素的聚合是由引导蛋白参与的。

察隅河岸畔的巨树群落。摄影及合成：“野性中国”工作室柯炫晖、王亚灵

英国诺丁汉大学植物与作物科学系高轶群博士和中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄金泉副研究员为该论文的共同第一作者。英国诺丁汉大学David Salt教授，Gabriel Castrillo副教授和中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员为该论文的通讯作者。此外，中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚研究员、法国国家科学研究中心LIPME研究所Guilhem Reyt博士、河北农业大学薛培英副教授等也参与了该项工作。

该研究得到英国皇家学会牛顿国际基金项目，英国皇家学会牛顿基金高级学者项目，国家自然科学基金项目、中科院先导科技专项，国家重点研发计划以及中国科学院青年创新促进会等项目资助。

论文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032