蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)是維持細(xì)胞正常生理功能的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定與否直接決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、定位、豐度與活性，是細(xì)胞應(yīng)對內(nèi)外環(huán)境脅迫的關(guān)鍵保障。近年來，研究發(fā)現(xiàn)植物根內(nèi)皮層凱氏帶相關(guān)蛋白的穩(wěn)態(tài)維持，對根系屏障結(jié)構(gòu)完整性、離子選擇性轉(zhuǎn)運及抗逆性至關(guān)重要，其穩(wěn)態(tài)失衡會導(dǎo)致礦質(zhì)元素吸收紊亂。然而，植物根系維持凱氏帶相關(guān)蛋白穩(wěn)態(tài)的分子機制，以及凱氏帶形成對其他蛋白穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用，目前仍不清楚。

近日，廣西大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點實驗室夏繼星課題組在國際著名學(xué)術(shù)期刊Science Advances在線發(fā)表了題為The GAPLESS-OsCASP complex mediates Casparian strip formation for proper localization and abundance of endodermal proteins in rice的研究論文。該研究揭示了水稻內(nèi)皮層凱氏帶的形成依賴于GAPLESS-OsCASP復(fù)合物對相關(guān)蛋白穩(wěn)態(tài)的維持，并且這一過程對調(diào)控內(nèi)皮層蛋白的定位與豐度起著決定性作用。

圖1 木質(zhì)素、GAPLESS1和OsCASP1在野生型、gapless1,2,3及Oscasp1,2,3,5突變體內(nèi)皮層中累積與定位模式分析

本研究發(fā)現(xiàn)，GAPLESSs和OsCASPs能相互作用形成緊密復(fù)合物聚集在凱氏帶結(jié)構(gòu)域區(qū)。GAPLESS1/2/3在野生型根內(nèi)皮層中特異性表達(dá)，最初呈“珍珠狀”不連續(xù)定位于內(nèi)皮層細(xì)胞的垂周側(cè)中央，最終形成連續(xù)帶狀結(jié)構(gòu)，這一動態(tài)定位模式與OsCASP1高度一致，但GAPLESS1/2/3在內(nèi)皮層細(xì)胞垂周側(cè)中央的極性定位要早于OsCASP1。同時敲除GAPLESS1/2/3或OsCASP1/2/3/5均導(dǎo)致凱氏帶起始延遲、補償性木質(zhì)素和木栓質(zhì)過度累積以及細(xì)胞膜-細(xì)胞壁的黏附顯著減弱（圖1 A-D）。洋蔥細(xì)胞中的質(zhì)壁分離實驗顯示，GAPLESS1/2/3和OsCASP1/2/3/5兩類蛋白家族均能與細(xì)胞壁發(fā)生黏連，并且OsCASPs蛋白家族與細(xì)胞壁的黏附能力更強（圖1 E）。GFP免疫染色發(fā)現(xiàn)，在gapless1,2,3三突變體根中，OsCASP1在內(nèi)皮層多數(shù)細(xì)胞中呈現(xiàn)均勻質(zhì)膜分布，僅在部分較成熟的內(nèi)皮層細(xì)胞中保留弱極性的“珍珠狀”定位，且蛋白豐度顯著降低；質(zhì)壁分離后，聚集于凱氏帶結(jié)構(gòu)域的OsCASP1仍與細(xì)胞壁緊密結(jié)合，而彌散分別于質(zhì)膜的OsCASP1則可與細(xì)胞壁分離。在Oscasp1,2,3,5四突變體根中，GAPLESS1也表現(xiàn)出類似的定位異常與豐度降低（圖1 F-G）。以上結(jié)果表明，GAPLESS與OsCASP蛋白通過形成相互依賴的復(fù)合體調(diào)控彼此的定位和豐度，進(jìn)而介導(dǎo)內(nèi)皮層凱氏帶的起始、木質(zhì)化以及細(xì)胞膜?細(xì)胞壁黏附。

圖2 OsSGN3a、Lsi1和木栓質(zhì)在野生型、gapless1,2,3及 Oscasp1,2,3,5突變體內(nèi)皮層中的定位與累積分析

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GAPLESS?OsCASP復(fù)合體介導(dǎo)的凱氏帶完整性對于維持離子穩(wěn)態(tài)、保證多個內(nèi)皮層表達(dá)蛋白（如OsSGN3a和硅轉(zhuǎn)運蛋白Lsi1）的正確定位與豐度至關(guān)重要。結(jié)果顯示，凱氏帶形成關(guān)鍵蛋白OsSGN3a在野生型根中聚集于凱氏帶結(jié)構(gòu)域區(qū)域，而在gapless1,2,3三突變體和Oscasp1,2,3,5四突變體根中均勻定位于內(nèi)皮層細(xì)胞質(zhì)膜，且豐度顯著降低（圖2 A-C）。同時，硅轉(zhuǎn)運蛋白Lsi1不僅蛋白豐度降低，還能夠穿過內(nèi)皮層細(xì)胞的垂周側(cè)中央，說明它的側(cè)向極性定位已破壞（圖2 D1-F1）。進(jìn)一步遺傳與組織化學(xué)分析顯示，內(nèi)皮層細(xì)胞中 Lsi1 的積累依賴于細(xì)胞的木栓質(zhì)化程度，在凱氏帶功能缺陷的突變體里，該過程主要由 OsSGN3a/b 信號通路所調(diào)控（圖2 G-I）。上述結(jié)果構(gòu)建了GAPLESS?OsCASP復(fù)合體介導(dǎo)的凱氏帶完整性、木栓質(zhì)積累、Lsi1表達(dá)與OsSGN3介導(dǎo)的信號通路之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)（圖3）。

圖3 GAPLESS-OsCASP調(diào)控根不同位置的凱氏帶空間發(fā)育、木栓質(zhì)沉積、蛋白定位及礦質(zhì)元素吸收的模式圖

該研究是夏繼星團隊繼水稻凱氏帶形成機制取得系列成果后（Plant Cell，2019，2022，2024，2025），在該領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。本研究為全面解析水稻內(nèi)皮層凱氏帶形成的分子機制提供了新視角，并為揭示凱氏帶完整性在調(diào)控植物蛋白定位與豐度中的作用提供了新見解。

廣西大學(xué)作物學(xué)博士后張寶磊、廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生孫小倩、廣西醫(yī)科大學(xué)教師孟春梅為論文共同第一作者，夏繼星教授為本文的通訊作者。該工作得到了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光院士的幫助和指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣西自然科學(xué)基金、廣西研究生教育創(chuàng)新計劃等項目資助。

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[1] Wang Z, Yamaji N, Huang S, et al. OsCASP1 Is Required for Casparian Strip Formation at Endodermal Cells of Rice Roots for Selective Uptake of Mineral Elements[J]. Plant Cell, 2019,31(11):2636-2648.

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論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb7840