凱氏帶（Casparian strip）是植物水分和礦質元素運輸途徑中關鍵的「檢查站」。水和養分只有跨越凱氏帶屏障，進入維管組織才算是真正進入植物體內，相當於從「小路」轉向「高速公路」。
它於 19 世紀中葉，被德國植物學家羅伯特·卡斯帕里（Robert Caspary）發現。其位於根的內皮細胞的細胞壁中，是由木質素構成的一個帶狀結構。
圖丨擬南芥根中的凱氏帶結構（來源：高軼群）
雖然凱氏帶結構被發現已有一個半世紀，但人們對它形成的機制卻知之甚少。直到 2011 年，科學家通過遺傳學和細胞生物學等手段發現一系列定位在凱氏帶處的蛋白分子。至此，凱氏帶的研究開始深入到分子生物學階段，並逐步揭示出凱氏帶發育的機制和過程。
但是，其中有兩個關鍵的科學問題一直「懸而未決」：凱氏帶處的木質素是如何產生的？凱氏帶的木質素如何沉積實現精準的空間沉積？
圖丨擬南芥引導蛋白相關突變體的生長表型（來源：Science）
近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心與英國諾丁漢大學團隊合作，發現 6 個引導蛋白（Dirigent proteins，DPs）直接參與木質素的合成。並且，由於這些引導蛋白特異性定位，間接導致木質素在凱氏帶的特異性沉積。
木質素因難以被降解而具備穩定性，通常作為非常重要的碳庫。從木質素合成的角度，領域內有兩種相互對立的觀點。根據一些專家的結論，木質素單體以不受蛋白影響的方式聚合（隨機聚合）。
20 世紀 90 年代後期，科學家發現細胞壁中有一種特殊的引導蛋白可將木質素單體以特定的形式連接。因此，根據另一種相反的觀點，木質素單體在引導蛋白參與下能夠以有序的方式連接。
在該研究中，研究人員通過遺傳學手段獲得了不同的引導蛋白突變體，發現多重突變體中凱氏帶處木質素沉積出現嚴重缺陷。令人驚訝的是，在引導蛋白突變體基礎上破壞另一個重要凱氏帶發育的基因 SGN3，凱氏帶的木質素幾乎完全消失。
並且，凱氏帶木質素完全消失的突變體表現出嚴重的生長遲緩，並且對多種非生物脅迫變得非常敏感。隨後，研究人員克服重重困難，成功表達出這個引導蛋白復合體，並進行了體外木質素聚合實驗，證實了引導蛋白直接參與木質素單體的聚合。
綜合遺傳學和生化方面的結果，在研究人員證實了引導蛋白是凱氏帶處的木質素的聚合所必需的。該研究將人們對凱氏帶的認知從分子層面推進至生化層面，同時，為引導蛋白調控木質素聚合的理論提供了有力的證據支持。
圖丨引導蛋白和 SGN3 共同調控凱氏帶的木質素合成和沉積（來源：Science）
除了基礎理論層面的重要意義，該研究在糧食領域也具有潛在的應用價值。凱氏帶作為植物水分和礦質元素運輸中關鍵的篩選屏障，未來有望通過該研究的新機制改變凱氏帶處的木質素成分，從而產生具有不同篩選功能的篩選屏障。
也就是說，讓凱氏帶成為離子有選擇性地進或出的「大門」，一方面希望可以提高作物的肥料利用效率，減少肥料投入；同時能夠提高作物籽粒的營養水平（例如富硒大米等），從源頭改善人們的飲食健康。
另一方面，由於木質素的合成是一種自發行為，過去科學家們通常認為該過程是不可控的。而該研究中發現，引導蛋白能夠調控木質素的聚合。因此，未來通過改造引導蛋白，實現對木質素的精準合成和調控。
「這需要利用更多結構生物學方面的知識進一步深入探索，看是否可通過改變胺基酸組成或蛋白的某種結構，實現改變木質素的特性。」該論文共同第一作者、英國諾丁漢大學牛頓學者高軼群博士表示。
圖丨相關論文（來源：Science）
近日，相關論文以《一種直接蛋白復合物指導木質素聚合和根擴散屏障的組裝》（A dirigent protein complex directs lignin polymerization and assembly of the root diffusion barrier）為題發表在 Science[1]。
英國諾丁漢大學高軼群博士和中國科學院分子植物科學卓越創新中心黃金泉副研究員為該論文共同第一作者，中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究員、英國諾丁漢大學加布里埃爾·卡斯特里洛（Gabriel Castrillo）副教授和大衛·索爾特（David Salt）教授為該論文共同通訊作者。
圖丨高軼群（來源：高軼群）
高軼群長期致力於研究包括凱氏帶在內的擴散屏障形成的分子機制。該研究起源於 2020 年底，高軼群和黃金泉在中國科學院分子植物科學卓越創新中心食堂的一次交流。當時，黃金泉正在研究棉花中的引導蛋白。
「我們是同一級的博士同學，平常經常交流自己的研究進展。金泉具有很強的生化和蛋白表達的背景，聽到他在做棉花中的引導蛋白，我就問他有沒有興趣做擬南芥凱氏帶的引導蛋白。」高軼群表示。
雖然他們研究的物種和關注的科學問題不同，但科學研究中總會有一種「殊途同歸」的效果，可能最後會做到相似的機制上。
據悉，黃金泉副研究員 2023 年 3 月，以通訊作者身份在 Nature Plants 報道了棉花引導蛋白調控棉酚分子手性的分子機制。
2021 年 4 月，他們正式啟動該項研究。在研究過程中，最難的部分在於蛋白的表達和純化。由於引導蛋白是一種細胞壁蛋白，它在常規的蛋白表達體系中極其不穩定。
在實驗中，課題組成員發現蛋白會形成復合體，而如果想將在體外表達獲得穩定的蛋白復合體非常困難。於是，他們先嘗試了普通的蛋白表達和純化方法實驗（中性 pH 環境），發現未能實現有活性的可溶性蛋白。
後來，通過一次次改變 pH 環境，不斷地優化實驗的條件，最終獲得了具有穩定活性的引導蛋白復合體。那段時間實驗進入最關鍵的階段，由於一次表達的蛋白種類很多，並且復合體一旦純化出來就必須立刻進行活性實驗。
「金泉和文凱師弟經常從早上很早開始蛋白純化，直到半夜木質素聚合實驗的產物上機檢測才能休息。這個成果的取得凝聚了所有作者的不懈努力和付出。」高軼群感慨道。
得到活性好的蛋白很困難，這可能也是領域內發展比較緩慢的原因之一。最後，直到論文投稿前不久，研究人員才拿到比較紮實的結論。
雖然在蛋白的表達和純化的問題上「卡」了很久，但審稿人對該研究給予高度認可。從論文投稿到正式接收，只用了大概四個月時間。並且審稿人認為，該研究推進了對凱氏帶結構形成的基礎認識。
下一步，研究人員計劃進一步探索植物其他木質化組織中引導蛋白的功能。例如，通過改變木質素直接增強細胞壁或細胞的支撐性，能夠提高玉米、水稻、小麥等作物的抗倒伏性。
高軼群表示，「在現有理論基礎上，再加上基因編輯或轉基因手段，我相信可以方便、快速地推進到其他作物的應用中。」
參考資料：
1.Yi-Qun Gao,Jin-Quan Huang, et al. Science 382, 6669, 464-471（2023）. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5032