东北林业大学程玉祥团队揭示杨树次生壁纤维素合酶在木材次生壁、应拉木G层和韧皮纤维壁结构上的功能

责编 | 王一

纤维素是地球上最丰富的生物质资源，木材是自然界一类最多的纤维素原料，其纤维素被推定由次生壁纤维素合酶(secondary cell wall cellulose synthase, SCW CesA)参与合成。长期以来，由于难以创制树木基因的敲除突变体，限制了人们对木材SCW CesAs确定及功能解析。此外，被子植物树木在倾斜树干的上面形成应拉木(tension wood, TW)，与正常木材相比应拉木纤维发育出厚厚的胶质层(gelatinous layer, G层)，由高度结晶的纤维素构成(约85%)，成为了一种非常有工业前景的生物燃料。然而，负责应拉木G层纤维素合成的CesAs是否与次生壁的相同？

近日，林木遗传育种国家重点实验室（东北林业大学）程玉祥团队在New phytologist在线发表了题为Functional understanding of secondary cell wall cellulose synthases in Populus trichocarpa via the Cas9/gRNA induced gene knockouts的研究论文，揭示了杨树次生壁纤维素合酶 (SCW CesAs) 在木材次生壁、应拉木G层和韧皮纤维壁结构上的功能。

该研究通过Cas9/gRNA基因编辑技术，创制了杨树5个SCW PtrCesAs基因的多个敲除突变体。ptrcesa4、7a/b和8a/b突变体都具有匍匐生长，丧失顶端优势，矮小成垂枝的盆景树特征（图1），而ptrcesa7a、7b、8a和8b突变体几乎没有生长缺陷。这些遗传证据表明PtrCesA7A和7B、PtrCesA8A和8B功能冗余，而PtrCesA4、7A/B和8A/B功能相同且非冗余。Western blot结果显示，在杨树次生木质部删除任何一类SCW PtrCesAs (PtrCesA4, 7A/B或8A/B)降低了其他两类蛋白质水平，表明PtrCesA4、7A/B和8A/B三类SCW PtrCesAs构成了次生木质部纤维素合酶复合体(cellulose synthase complex，CSC)核心成分。透射电镜分析显示ptrcesa4、7a/b和8a/b突变体木材细胞壁为薄薄的单层结构，突变体木材纤维素含量从正常木材的42%减少至4%，表明木材纤维素的合成完全由PtrCesA4、7A/B和8A/B负责。应拉木诱导实验显示ptrcesa4、7ab和8ab出现偏心生长，导管数量减少的应拉木特征，但纤维没有形成G层，表明负责应拉木G层纤维素合成的CSC，也招募了PtrCesA4、7A/B和8A/B三类SCW PtrCesAs。此外，ptrcesa4、7a/b和8a/b突变体初生和次生韧皮纤维失去了n(G + L)和G层，却保留了较厚的S层。结合细胞壁多糖免疫定位结果表明，PtrCesA4、7A/B和8A/B对于应拉木纤维G层形成和韧皮纤维细胞壁的独特结构是必不可少的。

图1 毛果杨ptrcesa4、 ptrcesa7a/b和 ptrcesa8a/b 突变体表型

综上所述，该研究通过解剖学、免疫组织化学和木材成分证据，在遗传水平上解析了杨树5个SCW PtrCesAs基因功能，确认了PtrCesA4、7A/B和8A/B在功能上是相同且不冗余，表明了树木次生壁CSC核心组分CesAs的构筑体系。研究同时展示了阻断纤维素生物合成，严重损害了树木正常生长、木材G-纤维形成、完整的次生壁多层结构和独特的韧皮纤维细胞壁结构。

东北林业大学林学院博士研究生徐文晶为该论文第一作者，林学院林木遗传育种国家重点实验室程玉祥教授为通讯作者，中国科学院遗传与发育研究所周奕华课题组帮助测定了木材半纤维素含量。该研究得到国家重点研究发展计划 (2016YFD0600106)、国家自然科学基金 (31570580，31770637) 和中央高校基本科研业务费专项资金(2572018CL01) 等项目的资助。

论文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17338