東北林業大學程玉祥團隊揭示楊樹次生壁纖維素合酶在木材次生壁、應拉木G層和韌皮纖維壁結構上的功能責編|王一纖維素是地球上最豐富的生物質資源，木材是自然界一類最多的纖維素原料，其纖維素被推定由次生壁纖維素合酶(secondarycellwall

東北林業大學程玉祥團隊揭示楊樹次生壁纖維素合酶在木材次生壁、應拉木G層和韌皮纖維壁結構上的功能

責編 | 王一

纖維素是地球上最豐富的生物質資源，木材是自然界一類最多的纖維素原料，其纖維素被推定由次生壁纖維素合酶(secondary cell wall cellulose synthase, SCW CesA)參與合成。長期以來，由于難以創制樹木基因的敲除突變體，限制了人們對木材SCW CesAs確定及功能解析。此外，被子植物樹木在傾斜樹干的上面形成應拉木(tension wood, TW)，與正常木材相比應拉木纖維發育出厚厚的膠質層(gelatinous layer, G層)，由高度結晶的纖維素構成(約85%)，成為了一種非常有工業前景的生物燃料。然而，負責應拉木G層纖維素合成的CesAs是否與次生壁的相同？

近日，林木遺傳育種國家重點實驗室（東北林業大學）程玉祥團隊在New phytologist在線發表了題為Functional understanding of secondary cell wall cellulose synthases in Populus trichocarpa via the Cas9/gRNA induced gene knockouts的研究論文，揭示了楊樹次生壁纖維素合酶 (SCW CesAs) 在木材次生壁、應拉木G層和韌皮纖維壁結構上的功能。

該研究通過Cas9/gRNA基因編輯技術，創制了楊樹5個SCW PtrCesAs基因的多個敲除突變體。ptrcesa4、7a/b和8a/b突變體都具有匍匐生長，喪失頂端優勢，矮小成垂枝的盆景樹特征（圖1），而ptrcesa7a、7b、8a和8b突變體幾乎沒有生長缺陷。這些遺傳證據表明PtrCesA7A和7B、PtrCesA8A和8B功能冗余，而PtrCesA4、7A/B和8A/B功能相同且非冗余。Western blot結果顯示，在楊樹次生木質部刪除任何一類SCW PtrCesAs (PtrCesA4, 7A/B或8A/B)降低了其他兩類蛋白質水平，表明PtrCesA4、7A/B和8A/B三類SCW PtrCesAs構成了次生木質部纖維素合酶復合體(cellulose synthase complex，CSC)核心成分。透射電鏡分析顯示ptrcesa4、7a/b和8a/b突變體木材細胞壁為薄薄的單層結構，突變體木材纖維素含量從正常木材的42%減少至4%，表明木材纖維素的合成完全由PtrCesA4、7A/B和8A/B負責。應拉木誘導實驗顯示ptrcesa4、7ab和8ab出現偏心生長，導管數量減少的應拉木特征，但纖維沒有形成G層，表明負責應拉木G層纖維素合成的CSC，也招募了PtrCesA4、7A/B和8A/B三類SCW PtrCesAs。此外，ptrcesa4、7a/b和8a/b突變體初生和次生韌皮纖維失去了n(G + L)和G層，卻保留了較厚的S層。結合細胞壁多糖免疫定位結果表明，PtrCesA4、7A/B和8A/B對于應拉木纖維G層形成和韌皮纖維細胞壁的獨特結構是必不可少的。

圖1 毛果楊ptrcesa4、 ptrcesa7a/b和 ptrcesa8a/b 突變體表型

綜上所述，該研究通過解剖學、免疫組織化學和木材成分證據，在遺傳水平上解析了楊樹5個SCW PtrCesAs基因功能，確認了PtrCesA4、7A/B和8A/B在功能上是相同且不冗余，表明了樹木次生壁CSC核心組分CesAs的構筑體系。研究同時展示了阻斷纖維素生物合成，嚴重損害了樹木正常生長、木材G-纖維形成、完整的次生壁多層結構和獨特的韌皮纖維細胞壁結構。

東北林業大學林學院博士研究生徐文晶為該論文第一作者，林學院林木遺傳育種國家重點實驗室程玉祥教授為通訊作者，中國科學院遺傳與發育研究所周奕華課題組幫助測定了木材半纖維素含量。該研究得到國家重點研究發展計劃 (2016YFD0600106)、國家自然科學基金 (31570580，31770637) 和中央高校基本科研業務費專項資金(2572018CL01) 等項目的資助。

論文鏈接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17338