纤维素结晶度影响拟南芥种皮粘液质构造的研究

Cellulose is a major component of Arabidopsis seed mucilage. During the establishment of mucilage structure, the two forms of cellulose, crystalline and noncrystalline cellulose, should maintain an appropriate proportion. It is challenging to investigate and determine how cellulose crystallinity index impacts mucilage structure. In our survey of mutants for studying cell wall cellulose, we identified a T-DNA insertion mutant of a well-known cellulose synthase gene, CESA10, which displayed affected mucilage phenotype. Cellulose crystallinity index was higher in cesa10 than that in wild-type mucilage, whereas the monosaccharide composition analysis showed a significant reduction of pectin polysaccharides. The immunolabeling detection supported those results and showed obvious redistributions of pectin polysaccharides. Based on the results we have obtained so far, this project aims to carry out a detailed analysis of how cellulose crystallinity index affecting mucilage structure. We will emphasize to reveal the molecular mechanism underlying the mucilage construction through interactions between pectin polysaccharides and cellulose network. The results in this project may shed some light on the how cellulose crystallinity index impacts cell wall structure in future studies.

纤维素是拟南芥种皮粘液质中起主要结构支撑作用的多糖组分。纤维素的正确结晶化是种皮粘液质结构具有韧性的重要因素。目前对纤维素正确结晶化在种皮粘液质构成中所起具体作用的研究仍然较少。前期研究发现CESA10基因插入缺失突变体种皮粘液质层明显薄于野生型。进一步的生化分析表明，cesa10突变体中各种果胶分子含量显著降低，而结晶化纤维素的含量却显著升高，并且果胶多糖的分布随结晶化纤维素分布的改变而发生了显著变化。本项目在此研究基础上，拟通过纤维素晶体结构分析、糖结构与组成分析等技术，揭示CESA10对纤维素结晶化过程的影响，探索纤维素正常结晶化对纤维素与其他粘液质多糖相互作用的影响，建立纤维素结晶化与粘液质正确形态构建之间的联系，最终对纤维素网络在种皮粘液质中所起作用提出新的解释，并为将来研究结晶化纤维素在拟南芥细胞壁形态构成中所起的作用提供新的思路。

在拟南芥种子发育过程中，种皮细胞会大量合成和分泌粘液质多糖，纤维素，半纤维素等，由于其与植物细胞壁在结构功能上存在相似性，该过程被认为是研究植物细胞壁多糖合成、结构和功能的理想模式体系。种皮粘液质的主要支撑结构成分是纤维素，对于纤维素在种皮粘液质中的组成结构和基因调控的解析一直是研究的热点问题。本研究工作首先开发了一种原位双抗体免疫荧光标记技术，即通过两种不同类型糖结构抗体对同一个部位进行免疫荧光标记的方法，揭示了种皮粘液质具有至少三个结构层（Layer），同时还发现种皮粘液质内层多糖附着在结晶化纤维素上，中间层则附着在非结晶化纤维素上；本研究工作又通过对一个种皮粘液质缺陷型突变体cesa10的纤维素构成进行分析，发现CESA10基因缺失导致种皮粘液质结构变松散，进一步研究发现，种皮粘液质内层的部分结晶化纤维素结构改变，具有部分非结晶化纤维素的性质，从而导致了附着多糖的“游离”。另外，在cesa5拟南芥突变体中表达CESA10基因并不能恢复其种皮粘液质的表型，而在cesa6突变体和野生型拟南芥中超表达CESA10却能够使拟南芥植株显著增大。本研究对于CESA10基因功能进行了初步解析，对研究拟南芥种皮粘液质中纤维素的合成和功能具有重要意义。