凯氏带位于植物根的内皮层细胞壁，由精确沉积在内皮层细胞壁上的木质素构成，是调控植物水分和矿质元素扩散的关键屏障，具有极其重要的生物学功能：首先，它阻断了根中水分和矿质元素的质外体运输途径，使得植物能够通过共质体途径选择性吸收自身需要的物质；其次，凯氏带对内皮层质外体空间的封闭作用阻止了维管系统中水分和矿质元素向外泄漏，保障了维管组织中水分和矿质元素的高效运输。但长久以来，凯氏带的木质素是如何合成并准确沉积的却是一个悬而未决的重大科学问题。

此外，木质素作为重要的生物能源物质及固碳物质，其天然合成过程备受关注。但长久以来关于木质素单体的聚合过程始终存在巨大的争论：一种观点认为木质素的聚合成过程是一个简单随机的过程，不受到蛋白因子的调控，即随机聚合理论；另一种观点则认为这一聚合过程受到DPs的精准调控，但这一观点此前始终缺乏严格的遗传学证据的支撑。

在该研究中，研究人员在拟南芥中鉴定到一组（6个）在根内皮层细胞特异表达的Dirigent proteins (DPs)，并且该组DPs全部定位在凯氏带。通过遗传分析并结合凯氏带木质素染色观察，发现这组DPs是调控木质素在凯氏带处精准沉积的决定性因子，并且这组DPs是维持凯氏带处细胞膜和细胞壁紧密连接的必需因子（图1）。DPs突变体中凯氏带处木质素的沉积发生明显异常，同时凯氏带处细胞膜和细胞壁的紧密连接消失，使其丧失了作为水分和矿质元素扩散屏障的功能，并严重扰乱了植物体内的矿质元素稳态，同时降低了植物对包括盐胁迫，渗透胁迫，低湿度胁迫等在内的多种非生物胁迫环境的适应性。

图1.引导蛋白是凯氏带形成（A）以及凯氏带和质膜紧密连接（B）所必需的

随后，研究人员通过遗传证据和拉曼光谱实验分析证实，凯氏带处的木质素的产生是由DPs途径和SGN3途径共同介导的。最后，通过分子生物学实验及体外木质素聚合实验，确认这组DPs成员间可以形成异源三聚体并且这些DPs是木质素单体自由基聚合所必需的，在只有氧化剂存在的条件下，二聚化的产物极少，然而在DPs和氧化剂同时存在的条件下，产物的量出现了非常大的提升，证明DPs与聚合的速率密切相关，与木质素的不同链接方式也是紧密相关的（图2）。

图2.引导蛋白直接参与木质素的聚合

这一研究结果将人们对凯氏带形成及其木质素沉积过程的认知从此前的蛋白层面拓展至更为基础的生化层面，并鉴定出第一个直接调控凯氏带处木质素聚合的蛋白复合体。同时，首次通过遗传学证据证实凯氏带处木质素的产生和沉积过程需要DPs复合体的直接参与（图3）。这些结果为DPs调控木质素聚合理论提供了直接的遗传学和生物化学证据，大大加深了人们对于木质素聚合过程的理解。同时这一研究拓展了人们对凯氏带调控植物水分和矿质营养稳态的理解，并为未来通过生物技术手段创制水分和养分高效利用的作物新品种提供了重要靶点。

图3. Dirigent protein 复合体调控凯氏带发育和木质素聚合的分子机制

中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员、英国诺丁汉大学Gabriel Castrillo副教授、David Salt教授为该论文的通讯作者。此外，法国国家科学研究中心LIPME研究所Guilhem Reyt博士，中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚组研究生吴文凯、晁代印组宋涛博士以及河北农业大学薛培英副教授,中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚研究员，英国诺丁汉大学Ashley Love博士、David Tiemesse博士和Michael W. George教授等也参与了该项工作。

该研究得到英国皇家学会牛顿国际基金项目、英国皇家学会牛顿基金高级学者项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院先导科技专项（B类）、国家重点研发计划以及中国科学院青年创新促进会等的资助。

文章第一作者高轶群博士

文章第一作者黄金泉博士

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DOI: 10.1126/science.adi5032