木聚糖合酶复合体核心成员协同控制水稻茎秆强度与可降解性

　　

植物性状塑造依赖于结构多糖等基础性生物大分子精准组装。交联多糖不仅对于细胞功能结构建成至关重要，还影响木质纤维素生物质的有效利用。木聚糖是种子植物细胞壁中最主要的交联多糖，具有聚合度和侧链及修饰的多样性，因而受到精密控制。木聚糖主链上分布着乙酰化修饰基团，其排布决定木聚糖折叠构象，以交联纤维素、木质素等不同细胞壁组分，进而组装形成精密的纳米级胞外网络结构。不同植物的天然木聚糖因其聚合度和侧链取代结构的多样性而呈现不同的物理化学性质及生物学功能(Zhang et al. 2024)，表明植物进化出了复杂的机制来多层级精准控制木聚糖合成。而形成蛋白复合体是精准协同木聚糖等生物大分子合成的重要方式。然而，植物中木聚糖的生物合成机制、尤其是复合体的关键成员及其生化特征等仍不清楚。

为明确水稻中木聚体合酶复合体(XSC)构成，以先前鉴定的水稻木聚糖合酶IRX10为指示利用共分馏蛋白质谱解析XSC组成，发现水稻木聚糖乙酰基转移酶6 (XOAT6)与主链合成酶IRX10共分离，表明IRX10和XOAT6可能是XSC复合体成员。萤光素酶互补和免疫共沉淀(Co-IP)等实验证实IRX10和XOAT6直接相互作用。而遗传分析发现，XOAT6和IRX10的功能缺失突变体均表现出木聚糖乙酰基团和木糖含量同时降低、进而导致脆性的表型。双突变体在上述表型上呈现一定程度的加性效应，从遗传上证明XOAT6与IRX10是构成XSC的重要组分。体外生化详细分析发现，XOAT6重组蛋白具有木聚糖乙酰基转移酶活性，并能促进IRX10所介导的木聚糖主链延伸活性，而该促进作用不完全依赖其乙酰基转移酶活性。荧光相关光谱学实验从单分子水平上证实XOAT6对IRX10活性的促进作用。固相核磁技术，场发射扫描电镜和纳米压痕等分析揭示了其在维持木聚糖折叠构象与纤维素纳米纤丝排布、调控细胞壁力学性能中的关键作用。此外，XOAT6与IRX10的突变还可显著提高水稻茎秆纤维生物质的糖化效率。因此，该研究揭示了多糖主链合成与乙酰化修饰的协同机制，解析了木聚糖生物合成的新机理，为作物性状设计改良和生物质利用及多糖大分子人工合成提供了依据。

该研究于2024年12月12日以题为“XYLAN O-ACETYLTRANSFERASE 6 promotes xylan synthesis by forming a complex with IRX10 and governs wall formation in rice”在线发表在The Plant Cell期刊(DOI:10.1093/plcell/koae322)。中国科学院遗传与发育生物学研究所周奕华组博士生文钊、扬州大学副教授许作鹏、周奕华组助研张兰军、宁波大学副研薛奕为该论文的共同第一作者，张保才研究员为通讯作者。扬州大学刘巧泉团队、宁波大学康雪团队和中国科学院生物物理所黄韶辉团队对该研究的完成提供了重要支持和帮助。该项研究受到国家科技重大专项项目、国家自然科学基金委、中国科学院基础领域青年团队及种子创新重点实验室等项目的资助。

图：木聚糖合酶复合体核心成员协作促进木聚糖合成和多糖网络组装及机械强度