水稻凯氏带蛋白的功能特点及其对营养平衡的调节机制

Casparian strip described by Robert Caspary in 1865 locates in the endodermal cells as an apoplastic diffusion barrier. The molecular mechanism of its formation and development has been completely unknown until 2011, and its composition even described in the textbooks are wrong. Its formation mechanism were gradually understood after Casparian strip membrane domain proteins (CASPs) were discovered, which mediate Casparian strip formation as a platform in the endodermis in Arabidopsis. However, the structure of root and development of Casparian strip in monocot are different from that in dicot, and rice root shows some unique structural features that are distinct from general land plants. Thus, it is very difficult to speculate the mechanism of rice Casparian strip formation according to the conclusions obtained from Arabidopsis study. We found a novel rice CASP mutant-oscasp4-2, which exhibited less tillers, wilt leaves and anomaly ion uptake. These are completely different from that of Arabidopsis CASP mutants and imply that rice CASPs has their own unique features. There may be five CASPs in rice, but only OsCASP8 is highly homologous with OsCAP4-2. We hope to characterize rice CASP function in Casparian strip formation and reveal the regulatory mechanism to nutrient homeostasis and growth by analyses of the two CASPs.

凯氏带发现于1865年，位于根的内皮层细胞上，对根内营养物质的质体外运输起屏障作用。但其形成和分化的分子机制一直不为人知，甚至其组成的描述都是错误的。2011年，凯氏带蛋白质（CASP）的发现，才逐渐揭开了拟南芥凯氏带形成的神秘面纱。然而，单子叶植物根的结构、凯氏带的发育不同于双子叶植物。另外，水稻的根长期处于水环境中，又有其不同于一般陆生植物的结构特点。这样，拟南芥凯氏带的研究只具借鉴意义。我们在水稻中发现一个新的凯氏带蛋白突变体—oscasp4-2，其分蘖减少、叶片枯萎和离子吸收异常；这些性状表现完全不同于拟南芥CASP突变体。暗示水稻CASP具有其独特的功能特点。水稻中可能有5个凯氏带蛋白，但仅OsCASP8与OsCASP4-2高度同源。我们拟重点通过对这两个CASPs的分析研究，解析水稻CASPs在凯氏带形成过程中的功能特点，揭示其对营养平衡和生长发育的调节机致。

拟南芥凯氏带蛋白位于内皮层细胞凯氏带合成区域，形成一个凯氏带蛋白复合体，为负责凯氏带蛋白合成的酶形成一个合成平台。水稻有6个凯氏带蛋白，其中OsCASP1与拟南芥CASP1~4高度同源。我们发现一个els1突变体，该突变体表现为下部叶片早枯和分蘖减少。经图位克隆分析，结果表明OsCASP1的突变造成了水稻突变体性状的改变。进一步的分析发现OsCASP1蛋白质位于细胞核膜以及与核膜紧密相连的内质网中。OsCASP1主要在水稻小的侧根根尖表达，在根的其他部位表达较弱。盐诱导OsCASP1表达，使OsCASP1基因的表达扩展到整个根系。组织切片分析发现OsCASP1主要位于根中柱区域，另在根的厚壁细胞中表达较强。综合上述结果，OsCASP1不可能像拟南芥凯氏带蛋白一样，负责凯氏带的形成。这一结论，明显与最近发表的有关OsCASP1的论文结果矛盾（Wang et al. 2019, The Plant Cell，doi:10.1105/tpc.19.00296）。我们发现OsCASP1基因的突变改变栓质在小侧根中异位沉积，栓质的沉积造成了内皮层细胞膜上载体与离子脱离接触，从而改变了植物体内离子的不均衡。这种突变体内营养物质的缺乏诱导了植物体内营养物的再循环，加速了突变体内叶片早衰。据我们所知，到目前为止，OsCASP1蛋白质是第一个被发现位于细胞核膜上，调控栓质的沉积，而不是凯氏带的合成，这意味着OsCASP1代表着一种新的凯氏带蛋白调控方式。是否属于单子叶植物或水生植物特有的调控方式有待进一步研究。