肖朝文课题组揭示细胞壁果胶甲基转移酶调控细胞壁完整性和植物生长发育的分子机制

科技工作者之家 2020-09-04

来源:BioArt植物

植物细胞壁位于细胞的最外层,由多糖、酚类化合物和结构蛋白组成。细胞壁具有足够的机械强度和充分的延展性,决定细胞生长的方向,在细胞生长和器官形态建成中发挥重要作用。细胞壁中各种大分子组分的含量、构象、相互作用和动态性决定了它的结构和理化特性。在植物初生细胞壁中有一类丰富的多糖,那就是果胶。果胶在高尔基中合成后分泌到细胞壁。另一种重要的细胞壁成分是纤维素,它具有很强的抗拉强度,被认为是细胞壁的主要“承重”成分。有研究表明,细胞壁中的果胶与纤维素紧密地相互作用,但这些相互作用如何影响细胞壁的组装和结构完整性仍然不清楚。
2020年9月4日,四川大学生命科学学院肖朝文课题组联合美国宾夕法尼亚州立大学、美国路易斯安那州立大学以及四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室在The Plant Cell杂志发表了题为Mutations in the pectin methyltransferase QUASIMODO2 influence cellulose biosynthesis and wall integrity in Arabidopsis thaliana的研究论文,诠释了细胞壁果胶、纤维素及细胞骨架协同调控细胞壁完整性和植物生长发育的分子机制。The Plant Cell同期发表了题为Let’s stick together - a pectin biosynthetic mutant reveals the interconnectedness of plant cell walls 的评论文章,强调了该研究工作对本领域发展的重要性。
wt_a52392020005033038_e34c07.jpgwt_a12302200905033038_e6d8db.jpgwt_a42302020905033038_e9c7bd.jpg
肖朝文课题组从事植物细胞壁的研究,重点研究细胞壁果胶合成代谢对植物生长发育的调控,以及细胞壁成分与细胞骨架的相互作用关系(Xiao et al., 2014, Plant Cell; Yue et al., 2017, Plant Cell; Xiao et al., 2016, Plant Physiology; Xiao et., 2017, Plant Journal。在该研究中,肖朝文课题组首次证实了QUASIMODO2(QUA2)蛋白的果胶甲基转移酶活性,为解析此类酶的生物学功能打开了瓶颈。QUA2突变后,细胞壁中果胶含量显著降低,表明该蛋白是果胶合成所必需的。通过对两个突变体株系qua2tsd2的分析,该课题组发现QUA2基因突变抑制纤维素的合成,突变体黄化苗中纤维素含量显著下降,下胚轴的伸长受抑制,表皮细胞出现粘连缺陷。该研究利用多种显微成像技术,观察到果胶的缺失既影响纤维素合成酶在细胞膜上的移动和纤维素微纤丝的分布,又影响细胞质中微管的排列构象。高分辨固态核磁共振分析表明突变体中纤维素和果胶多糖的流动性均增强,表明正常的果胶合成对维持细胞壁完整性的重要作用。
wt_a72352020090033040_057995.jpg果胶甲基转移酶QUA2的缺失影响果胶多聚半乳糖醛酸和纤维素的生物合成及细胞壁结构
综上所述,该研究证明了果胶甲基转移酶的分子功能,解析了果胶合成过程中甲酯化反应的生化机理,探索了果胶与纤维素相互作用的分子机制,以及这些相互作用是如何转化成细胞内部的信号,维持植物生长过程中细胞壁结构的完整性。
四川大学生命科学学院杜娟助理研究员为论文第一作者,美国宾夕法尼亚州立大学Charles T. Anderson教授和四川大学生命科学学院肖朝文研究员为论文共同通讯作者。

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