中國巨樹云南黃果冷杉等身照，高度83.4米。? 攝影及合成：“野性中國”工作室

木質(zhì)素是地球上碳密度最高、疏水性最強、穩(wěn)定性最好、占比最高的生物碳匯之一，其合成機制關(guān)系到“雙碳”目標(biāo)（碳達峰、碳中和）的實現(xiàn)。

數(shù)十年來，人們通過基因工程等方法嘗試改造植物木質(zhì)素的組成，然而由于人們對于木質(zhì)素聚合過程認(rèn)識的缺乏等原因，相關(guān)進展極其緩慢。

凱氏帶是植物根部內(nèi)皮層細胞一種特殊的木質(zhì)化細胞壁，它與細胞質(zhì)膜緊密錨定，形成控制植物水分和礦物質(zhì)擴散的關(guān)鍵屏障，具有極其重要的生物學(xué)功能。

10月27日，澎湃科技從中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心獲悉，該中心晁代印研究組與英國諾丁漢大學(xué)大衛(wèi)·索爾特（David Salt）研究組合作，研究發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)蛋白（Dirigent proteins，DPs）在植物凱氏帶建成和木質(zhì)素聚合中的關(guān)鍵作用，從而為水分和養(yǎng)分高效利用的未來作物分子設(shè)計以及創(chuàng)制高效“碳匯”植物提供了新的理論。

前述研究成果27日在線發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上，論文標(biāo)題是《引導(dǎo)蛋白復(fù)合物指導(dǎo)木質(zhì)素的聚合和根部擴散屏障的組裝》（A dirigent protein complex directs lignin polymerization and assembly of the root diffusion barrier）。

稍早前，8月31日，晁代印研究組發(fā)現(xiàn)了水稻中凱氏帶與細胞質(zhì)膜錨定粘連的分子機制，但凱氏帶木質(zhì)素聚合和精準(zhǔn)沉積的分子機制仍然懸而未決。

在最新發(fā)表的研究中，研究人員在擬南芥中鑒定到一組6個定位于根內(nèi)皮層細胞凱氏帶的引導(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胞質(zhì)膜緊密連接的必需因子。

擬南芥相關(guān)突變體的生長表型。

這類引導(dǎo)蛋白如果突變，會直接影響了凱氏帶的形成以及凱氏帶處的膜-壁緊密連接，進而嚴(yán)重擾亂了植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素平衡和植物對鹽旱逆境的適應(yīng)性。

Dirigent protein 復(fù)合體調(diào)控凱氏帶發(fā)育和木質(zhì)素聚合的分子機制。受訪者供圖

這一研究結(jié)果刷新了人們對凱氏帶形成過程的認(rèn)知。

凱氏帶對于作物的營養(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。而這一研究突破無疑會對這些努力產(chǎn)生巨大的推動作用。

該研究大大加深了人們對于木質(zhì)素聚合過程的理解，首次證實木質(zhì)素的聚合是由引導(dǎo)蛋白參與的。

察隅河岸畔的巨樹群落。攝影及合成：“野性中國”工作室柯炫暉、王亞靈

英國諾丁漢大學(xué)植物與作物科學(xué)系高軼群博士和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃金泉副研究員為該論文的共同第一作者。英國諾丁漢大學(xué)David Salt教授，Gabriel Castrillo副教授和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究員為該論文的通訊作者。此外，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳曉亞研究員、法國國家科學(xué)研究中心LIPME研究所Guilhem Reyt博士、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)薛培英副教授等也參與了該項工作。

該研究得到英國皇家學(xué)會牛頓國際基金項目，英國皇家學(xué)會牛頓基金高級學(xué)者項目，國家自然科學(xué)基金項目、中科院先導(dǎo)科技專項，國家重點研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目資助。

論文鏈接：http://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032