Plant Cell: 解析漆酶参与植物新型木质素聚合的分子机制

来源：BioArt植物

木质素（lignin）是地球上含量最丰富的一类酚类聚合物，它能提高植物细胞壁的机械支撑能力和防水性能。长期以来，人们认为植物木质素是由三种单体（对香豆醇、松柏醇和芥子醇）通过漆酶（laccase）和过氧化还物酶（peroxidase）两套系统催化聚合而形成的包含hydroxyphenyl- (H), guaiacyl- (G) 和 syringyl- (S) 单元的复杂化合物。

2012年，美国Richard Dixon院士团队首次在一些植物的种皮中发现一种仅由咖啡醇（caffeyl alcohol）通过单一的连接方式而形成的新型木质素（命名为C-lignin）。这类木质素分子的单一结构单元和线性结构使之成为合成碳纤维和制作高值化学品的一种非常理想的生物原料。尽管C-lignin单体（咖啡醇）的生物合成路径已经有所报道，然而其单体在植物体内如何聚合形成C-lignin的分子机制尚不清楚。

近日，该团队在The Plant Cell 杂志在线发表了一篇题为 Substrate-Specificity of LACCASE 8 Facilitates Polymerization of Caffeyl Alcohol for C-Lignin Biosynthesis in the Seed Coat of Cleome hassleriana的研究论文，阐明了具有底物专一性的漆酶LACCASE8参与植物新型木质素C-lignin聚合形成的分子机制。

为了搞清楚植物中是否存在催化咖啡醇聚合形成C-lignin的相关酶，研究者对一种名为醉蝶花（Cleome hassleriana）的观赏植物开展了相关的工作。醉蝶花在开花约12天后，种皮中G-lignin的合成停止，进而启动C-lignin的生成，这种独特的木质素积累模式使其成为研究C-lignin聚合机制的良好实验材料。该团队鉴定了一个在醉蝶花种皮中特异性表达的漆酶基因（命名为ChLAC8）。在种子成熟过程中，ChLAC8在种皮中的转录表达谱与C-lignin积累模式十分相似。体外酶活分析表明，ChLAC8重组蛋白能够特异性的利用咖啡醇（而非松柏醇）作为底物生成相应的二聚体或三聚体。进一步通过RNAi干扰技术抑制醉蝶花中ChLAC8的表达发现，在转基因植株后代种皮中C-lignin含量显著降低，而G-lignin无明显变化。此外，利用C13同位素标记的咖啡醇对拟南芥comt 突变体进行饲喂，该实验材料中没有发现C13标记 C-lignin的生成，而在表达ChLAC8的comt突变体材料中检测到C13标记 C-lignin。

以上这些研究结果表明，当外源提供咖啡醇时，ChLAC8能够促进植物体内C-lignin的聚合并决定植物细胞壁中的木质素组分含量。因此，该研究为将来通过基因工程手段在其他能源作物中大规模的合成C-lignin奠定了基础。

中国农科院油料作物研究所的王欣副研究员和美国北德克萨斯大学卓春柳博士后为论文的共同第一作者，Richard Dixon院士为通讯作者。北德克萨斯大学的陈方教授，王小强教授，肖习蓉研究员和Maite Docampo-Palacios博士后也参与该研究的部分工作。

论文链接：

https://doi.org/10.1105/tpc.20.00598