Science Advances | 廣西大學夏繼星課題組揭示植物根系凱氏帶形成與內皮層蛋白穩態維持的分子基礎

蛋白質穩態是維持細胞正常生理功能的基礎，其穩定與否直接決定蛋白質的結構、定位、豐度與活性，是細胞應對內外環境脅迫的關鍵保障。近年來，研究發現植物根內皮層凱氏帶相關蛋白的穩態維持，對根系屏障結構完整性、離子選擇性轉運及抗逆性至關重要，其穩態失衡會導致礦質元素吸收紊亂。然而，植物根系維持凱氏帶相關蛋白穩態的分子機制，以及凱氏帶形成對其他蛋白穩態的調控作用，目前仍不清楚。

近日，廣西大學亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室夏繼星課題組在國際著名學術期刊Science Advances在線發表了題為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皮層凱氏帶的形成依賴于GAPLESS-OsCASP復合物對相關蛋白穩態的維持，并且這一過程對調控內皮層蛋白的定位與豐度起著決定性作用。

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

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

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

進一步研究發現，GAPLESS?OsCASP復合體介導的凱氏帶完整性對于維持離子穩態、保證多個內皮層表達蛋白（如OsSGN3a和硅轉運蛋白Lsi1）的正確定位與豐度至關重要。結果顯示，凱氏帶形成關鍵蛋白OsSGN3a在野生型根中聚集于凱氏帶結構域區域，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皮層細胞質膜，且豐度顯著降低（圖2 A-C）。同時，硅轉運蛋白Lsi1不僅蛋白豐度降低，還能夠穿過內皮層細胞的垂周側中央，說明它的側向極性定位已破壞（圖2 D1-F1）。進一步遺傳與組織化學分析顯示，內皮層細胞中 Lsi1 的積累依賴于細胞的木栓質化程度，在凱氏帶功能缺陷的突變體里，該過程主要由 OsSGN3a/b 信號通路所調控（圖2 G-I）。上述結果構建了GAPLESS?OsCASP復合體介導的凱氏帶完整性、木栓質積累、Lsi1表達與OsSGN3介導的信號通路之間的內在關聯（圖3）。

圖3 GAPLESS-OsCASP調控根不同位置的凱氏帶空間發育、木栓質沉積、蛋白定位及礦質元素吸收的模式圖

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），在該領域的又一重要進展。本研究為全面解析水稻內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控植物蛋白定位與豐度中的作用提供了新見解。

廣西大學作物學博士后張寶磊、廣西大學生命科學與技術學院博士生孫小倩、廣西醫科大學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業大學劉耀光院士的幫助和指導。該研究得到了國家自然科學基金、廣西自然科學基金、廣西研究生教育創新計劃等項目資助。

參考文獻:

[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.

[2] Wang Z, Zhang B, Chen Z, et al. Three OsMYB36 members redundantly regulate Casparian strip formation at the root endodermis[J]. Plant Cell, 2022,34(8):2948-2968.

[3] Zhang B, Xin B, Sun X, et al. Small peptide signaling via OsCIF1/2 mediates Casparian strip formation at the root endodermal and nonendodermal cell layers in rice[J]. Plant Cell, 2024,36(2):383-403.

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論文鏈接：

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