生物通报道：来自中科院遗传与发育生物学研究所，中国农科院水稻所的研究人员发现了细胞壁合成底物运送的新机理，为解析细胞壁生物合成的生化和生物学机制提供了关键的证据，这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

领导这一研究的是遗传与发育生物学研究所周奕华研究员，其早年毕业于北京师范大学，2002年加入中科院遗传与发育生物学研究所，其课题组主要研究方向是植物分子遗传学与细胞壁生物学研究。文章第一作者是周奕华课题组张保才、刘香玲和中国农科院水稻所钱前研究员，得到了国家转基因专项和中科院知识创新方向性项目的资助。

细胞壁是由纤维素、半纤维素和果胶构成的复杂多糖网络结构，也是植物膨压驱动细胞生长的物质基础。水稻细胞壁研究对于抗倒伏和水稻植株形态等农艺性状的改良具有重要意义。植物细胞壁多糖除纤维素在质膜上合成外，其他多糖主要在高尔基体内合成。而所需底物、各种核苷糖分子（nucleotide sugar）却主要在细胞质中合成，需要通过核苷糖转运子跨膜运输到高尔基体内，参与多糖合成。研究证明，底物合成的缺陷可以影响细胞壁的合成，因此人们推测核苷糖转运子对细胞壁合成有重要影响。然而，这一假设由于缺乏遗传学证据，一直存在很大的争议。

在最新研究中，研究人员通过鉴定一个新的水稻脆秆突变体bc14发现，其野生型基因编码高尔基体定位的尿苷二磷酸-葡萄糖（UDP-Glucose）转运子参与细胞壁多糖合成。对bc14突变体的详细表型分析发现，基因突变引起次生壁结构异常和纤维素含量下降，导致机械强度显著下降和生长发育缺陷。基因克隆和互补实验发现，突变表型是由核苷酸糖转运子(Oryza sativa Nucleotide Sugar Transporter1)基因的错义突变引起。水稻原生质体表达BC14/OsNST1融合荧光蛋白载体发现该蛋白定位于高尔基体中。体外酶活实验证明，该转运子具有尿苷二磷酸-葡萄糖的转运活性。细胞壁成分的详细分析证实，突变体基质多糖中葡萄糖含量明显下降。

本研究证实了高尔基体定位的核苷糖转运子在细胞壁多糖合成中的重要作用，为解析细胞壁生物合成的生化和生物学机制提供了关键的证据，解决了该领域中一个长期悬而未决的重要问题。

原文摘要：

Golgi nucleotide sugar transporter modulates cell wall biosynthesis and plant growth in rice

Golgi-localized nucleotide sugar transporters (NSTs) are considered essential for the biosynthesis of wall polysaccharides and glycoproteins based on their characteristic transport of a large number of nucleotide sugars to the Golgi lumen. The lack of NST mutants in plants has prevented evaluation of this hypothesis in plants. A previously undescribed Golgi NST mutant, brittle culm14 (bc14), displays reduced mechanical strength caused by decreased cellulose content and altered wall structure, and exhibits abnormalities in plant development. Map-based cloning revealed that all of the observed mutant phenotypes result from a missense mutation in a putative NST gene, Oryza sativa Nucleotide Sugar Transporter1 (OsNST1). OsNST1 was identified as a Golgi-localized transporter by analysis of a fluorescence-tagged OsNST1 expressed in rice protoplast cells and demonstration of UDP-glucose transport activity via uptake assays in yeast. Compositional sugar analyses in total and fractionated wall residues of wild-type and bc14 culms showed a deficiency in the synthesis of glucoconjugated polysaccharides in bc14, indicating that OsNST1 supplies the glucosyl substrate for the formation of matrix polysaccharides, and thereby modulates cellulose biosynthesis. OsNST1 is ubiquitously expressed, with high expression in mechanical tissues. The inferior mechanical strength and abnormal development of bc14 plants suggest that OsNST1 has pleiotropic effects on cell wall biosynthesis and plant growth. Identification of OsNST1 has improved our understanding of how cell wall polysaccharide synthesis is regulated by Golgi NSTs in plants.


作者简介：

周奕华，
博士，研究员，博士生导师

1989年毕业于北京师范大学生物系，1992年获该校细胞遗传专业硕士学位。1994年-1996年在美国Clemson大学从事大豆分子标记和抗病基因的定位与分离的研究。1999年获中科院遗传所植物分子遗传学博士学位。2001年1月至2002年8月，在美国Michigan理工大学进行博士后研究工作。2002－2005年，中科院遗传发育所副研究员。2006年，中科院遗传发育所研究员。主持或参与多项国家973，863及自然科学基金等项目。

我们实验室主要研究方向为植物分子遗传学与细胞壁生物学研究:

1、植物细胞壁形成及其生物学功能

细胞壁是植物细胞区别于动物细胞最显著的细胞结构之一，为植物基本生命活动提供保障，与植物的生长发育密切相关；它也是地球上最丰富且被广泛利用的可再生资源，其中蕴含着大量的价值还未能被开发利用。因此植物如何形成细胞壁不仅是一个重要的科学问题也具有巨大的应用前景。我们实验室以水稻为主要的研究材料，利用正向与反向遗传学通过深入研究参与细胞壁形成的基因功能，揭示细胞壁形成的分子机制及其在植物生长发育中的作用。完成了BC1 (Li et al., 2003)、BC10 (Zhou et al., 2009)、BC11 (Zhang et al., 2009)、OsCSLD4 (Li et al., 2009) 和BC12（Zhang et al., 2010）等关键基因的图位克隆和功能研究工作。以此为基础，揭示参与细胞壁形成的基因、作用机理及其生物学功能，探索并解析细胞壁形成的遗传调控网络。

2、水稻茎秆机械强度的分子机理

水稻茎秆机械强度一个重要的农艺性状，与作物的产量、抗性直接相关。我们已完成了多个水稻脆秆控制基因克隆与功能，同时从水稻机械强度增加的壮秆材料入手，揭示茎秆强度增加的细胞壁结构与化学成份基础。在实验室已建立的植物细胞壁多糖化学分析平台的基础上，并结合分子遗传学手段，研究调控水稻茎秆机械强度的分子机理，为水稻抗倒伏分子育种积累数据。


 

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