次生壁是地球上最豐富的可再生資源，天然次生壁常被生產(chǎn)成多種纖維制品，服務(wù)人們的日常生活，也可以作為造紙業(yè)和生物能源的原料，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。次生壁是植物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，影響生命活動(dòng)的眾多生理過(guò)程。例如，水稻中次生壁合成水平與質(zhì)量直接關(guān)系到株高、抗倒伏性等重要的農(nóng)藝性狀，因而其合成受到嚴(yán)格調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，大量NAC、MYB等類型的轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，以應(yīng)答植物體內(nèi)外各種信號(hào)、精準(zhǔn)調(diào)控次生壁生物合成。然而，迄今為止鑒定到的負(fù)調(diào)控因子極少。Increase leaf angle1 (ILA1) 是前期報(bào)道的調(diào)控次生壁形成的Raf-like MAPKKK蛋白，互作蛋白ILA1 interacting protein4 (IIP4) 是其磷酸化底物，生物學(xué)功能未知。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周奕華研究組利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)創(chuàng)制iip4突變體，發(fā)現(xiàn)其突變體次生壁厚度明顯增加，纖維素和木質(zhì)素含量略有上升，表明IIP4負(fù)調(diào)控水稻次生壁的合成。生化和分子生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，IIP4與次生壁合成的頂層關(guān)鍵調(diào)控因子NAC29/NAC31互作，抑制其下游所調(diào)控基因、如MYB61、CESA4、CESA7、CESA9的表達(dá)，從而干擾次生壁合成。被ILA1磷酸化的IIP4亞細(xì)胞定位發(fā)生改變，由核中轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞核中的互作蛋白NAC29/NAC31被釋放，促進(jìn)下游基因的表達(dá)和次生壁合成。對(duì)IIP4的序列分析發(fā)現(xiàn)，它具有規(guī)律重復(fù)的非典型CCCH基序(C-X4-C-X10-C-X2-H)。IIP4同源蛋白在植物中廣泛存在且高度保守，暗示其功能的重要性。IIP4對(duì)次生壁合成的調(diào)控作用可以用于改良作物抗倒伏性。該研究解析了ILA1-IIP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，為闡明水稻次生壁形成的分子機(jī)制以及作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)分子設(shè)計(jì)育種提供了重要依據(jù)。

11月21日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Molecular Plant雜志上。研究工作受到自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)和青促會(huì)的資助。(世聯(lián)博研(Bioexcellence)Bioon.com）