水稻细胞壁多糖去乙酰化因子WAC蛋白的功能研究

Acetylation on biomacromolecules widely exists in many organisms from bacteria to higher plants and human. Cell-wall polysaccharides are important macromolecules that execute various vital functions in the lifecycle of plants. Acetylation status of polysaccharides often affects their physicochemical properties and is dynamically regulated during plant growth. However, the molecular mechanism by which components control this dynamic process is poorly understood. Although the proteins transfer acetyl residues onto polysaccharides have been reported, the enzymes catalyzing polysaccharide deacetylation were still unclear. To uncover the molecular basis of polysaccharide deacetylation in rice, we focused on characterization of the key enzymes and their biological function via multidisciplinary approaches. Based on our previous studies on a cell-wall acetyl level altered mutant, a plant specific polysaccharide acetylesterase Wall ACetylation protein (WACs) has been identified. In this study, we aim to 1) characterize the biochemical features and functions of three WAC proteins in rice plants; 2) reveal the relationship between WACs and the enzymes for polysaccharide formation; 3) finally understand the molecular mechanism underlying the regulation of cell-wall polysaccharide acetylation status. Therefore, this study will shed light on the manipulation of polysaccharide acetylation level, aiming to improve plant growth and economic value of rice straws.

乙酰化修饰在生命进化进程中极为保守。细胞壁多糖作为植物细胞的一种基本物质，乙酰化修饰对其理化性质有着重要的影响。在植物生长发育过程中，其乙酰化修饰水平是动态变化的，而我们对其动态调控机制却知之甚少。尽管参与多糖乙酰化的蛋白已被报道，但去乙酰化的关键蛋白不甚清楚。本项目拟针对水稻细胞壁多糖去乙酰化修饰的蛋白及其功能开展研究。我们前期工作鉴定到一个水稻细胞壁乙酰化变异的突变体，并发现了一类新的去乙酰化因子WAC蛋白。细胞壁成分分析表明，该蛋白参与了细胞壁多糖去乙酰化修饰。本研究将利用遗传学、生物化学、分子生物学、细胞学等多学科手段，系统解析水稻三个蛋白WAC1-3的生化功能和作用机制，揭示细胞壁多糖去乙酰化修饰的分子机制和调控网络；通过分析三个WAC蛋白间及其与细胞壁关键合成酶的互作关系，阐明细胞壁多糖合成与乙酰化修饰的互作模式，进而明确其生物学效应，为农业生产和水稻秸秆利用提供理论依据。

细胞壁是多糖组成的复杂网络结构，多糖经折叠、交联，形成细胞类型特异的细胞壁功能结构。乙酰化是在细胞壁多糖上广泛存在的修饰形式，可控制多糖折叠构象及多聚物间的交联，对细胞壁功能结构的构建至关重要。因此，细胞壁多糖上的乙酰化修饰程度及位置是被严格调控的。多糖乙酰化成为解析细胞壁功能结构建成与功能精准调控的突破口。近年来仅有少数多糖乙酰基转移酶被发现。而植物要维持细胞壁上一定的乙酰化谱，还须有大量乙酰酯酶的存在，除作用于细胞壁的少量乙酰酯酶，植物是否存在其他类型的酶仍然未知。. 本研究利用分子遗传学、生物化学和细胞生物学等手段，功能鉴定了负调控木聚糖主链乙酰化水平的乙酰酯酶Wall Acetylation 1 (WAC1)/Brittle leaf sheath1 (BS1)和作用于木聚糖侧链阿拉伯糖的乙酰酯酶Wall Acetylation 2 (WAC2)/Deacetylase of ARabinosyl sidechain of Xylan1 (DARX1)。核磁共振(HSQC)等生化分析发现，突变体中增多的乙酰基主要发生在木聚糖主链上或侧链阿拉伯糖基上。而这些异常的乙酰基可被酵母重组表达的BS1及DARX1蛋白去除。亚细胞定位分析显示，BS1和DARX1均定位于高尔基体。生物信息学分析表明BS1和DARX属GDSL类蛋白，为新的一类多糖去乙酰化因子，表明去乙酰化可发生在多糖合成中。在生物学功能方面，我们发现木聚糖主链乙酰化水平的维持对木质部导管细胞壁结构的形成和植物生长发育至关重要。而固相核磁和原子力显微镜观察则发现，阿拉伯糖侧链过度乙酰化导致木聚糖折叠构象改变，进而扰动纤维细胞中纤维素微纤丝的排布和功能。此外，我们还对多个WAC蛋白开展了遗传材料创制和生化分析。这些研究不仅首次鉴定了新的一类乙酰酯酶，揭示了多糖去乙酰化控制细胞壁功能结构的作用机理，阐释了多糖乙酰化修饰的遗传调控网络，还发现其调控水稻株高和机械强度的重要作用，为作物抗倒伏改良与分子设计育种提供了重要依据。通过项目实施，发表文章4篇、包括1篇Nat Plants 和1篇Plant Cell发表，申请专利1项，培养青年人才1名、研究生2名。