水稻BRITTLE CULM 4基因编码的膜蛋白通过调控次生细胞壁纤维素合成影响茎秆机械强度

本研究针对水稻茎秆脆性突变体bc4的分子机制展开，通过细胞壁组分分析、基因定位和CRISPR/Cas9基因编辑技术，首次揭示Os06g0114700编码的DUF1218家族四螺旋跨膜蛋白通过独立于纤维素合酶复合体(CSC)的新途径调控次生细胞壁纤维素沉积，为作物抗倒伏育种提供新靶点。

　　

研究背景

水稻作为全球主要粮食作物，其茎秆机械强度直接影响抗倒伏能力和产量。次生细胞壁作为植物的"骨骼支架"，其纤维素含量决定组织强度。虽然已知纤维素合酶催化亚基(CesA)在纤维素合成中起核心作用，但越来越多的证据表明，次生细胞壁的形成需要多种膜蛋白协同参与。令人困惑的是，水稻脆性茎秆(brittle culm, bc)突变体尽管形态正常，却表现出异常的机械强度，暗示存在未知的调控机制。其中，40年前发现的bc4突变体因其独特的表型——仅纤维素含量降低而半纤维素和木质素不变——成为破解这一谜题的关键线索。

关键技术方法

研究团队采用多学科交叉策略：通过化学分馏结合高效阴离子交换色谱脉冲安培检测(HPAEC-PAD)分析细胞壁组分；利用透射电镜(TEM)观察细胞壁超微结构；采用图位克隆结合全基因组测序定位突变基因；设计CRISPR/Cas9系统构建四个独立敲除株系验证基因功能；基于Rice FREND数据库进行共表达网络分析；运用毛细管电泳-三重四极杆质谱(CE-MS)进行代谢组学检测。实验材料包括国际水稻研究所提供的bc4突变体(RGS 293)和对照品种Taichung 65、Kasalath。

研究结果

1. 纤维素含量降低的表型特征

bc4突变体茎秆纤维素含量较野生型Taichung 65(T65)和Kasalath(Kas)显著降低39%，而碱溶性半纤维素组分含量和糖组成无显著变化。免疫荧光染色显示突变体中木聚糖沉积模式正常，但透射电镜揭示其厚壁细胞壁厚度减少32%，首次证实BC4特异性影响纤维素沉积而非其他细胞壁组分。

2. 基因克隆与功能验证

通过图位克隆将BC4定位至6号染色体66 kb区间，全基因组测序发现Os06g0114700基因发生C→T突变，导致编码的205个氨基酸DUF1218家族蛋白C端87个氨基酸缺失。CRISPR/Cas9构建的四个突变体(c#1-4)均重现脆性表型，其中c#3株系出现半矮化现象，证实该基因功能缺失直接影响植株发育。

3. 独特的分子作用机制

共表达分析显示BC4与膜运输/细胞骨架相关基因(如BC3/dynamin、BC12/kinesin)聚为一类，独立于纤维素合酶基因簇。代谢组学发现突变体中UDP-葡萄糖醛酸(UDP-GlcA)积累，暗示BC4可能通过调控核苷酸糖代谢影响纤维素前体供应。AlphaFold2结构预测揭示该蛋白具有与哺乳动物claudin相似的4螺旋跨膜结构，但拓扑排列方向相反，提示其可能通过维持膜微环境促进纤维素合成。

结论与意义

该研究首次阐明水稻BC4作为DUF1218家族成员，通过不同于CesA和COBRA-like蛋白的新机制调控次生细胞壁形成。其独特价值在于：

1. 1.

   发现植物中首个被证实功能的DUF1218膜蛋白，拓展了对纤维素合成调控网络的认知；

2. 2.

   揭示膜蛋白在细胞壁构建中的非催化作用，为理解植物机械强度提供新视角；

3. 3.

   突变体仅影响纤维素而保持其他组分正常的特性，为定向改良作物茎秆品质提供精准靶点。

这项发表于《Plant and Cell Physiology》的研究，由日本埼玉大学Toshihisa Kotake团队主导，通过经典遗传学与现代基因组编辑技术的完美结合，破解了困扰学界40年的bc4突变之谜，为作物抗逆育种开辟了新思路。