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全球植物每年生产约1800亿吨纤维素，使其成为地球上最大的碳库和含量最丰富的生物大分子 (Li et al., 2021)。棉花 (Gossypium hirsutum) 作为全球最大的纤维作物，其成熟的棉纤维由95%以上的纤维素构成 (Huang et al., 2021)。这些纤维素主要是由棉纤维细胞次生壁形成期的纤维素合酶复合体 (Cellulose Synthase Complex，CSC) 所合成。研究表明，棉纤维细胞可能拥有独特的纤维素合酶超级复合体，能够形成显著不同于其他组织或物种的72链纤维素微纤丝 (Wen et al., 2023)。到目前为止，关于棉纤维次生壁纤维素合酶复合体如何大量生产纤维素的机制，我们仍然知之甚少。近日，JIPB在线发表了武汉大学高等研究院朱玉贤院士团队题为“GhCASPL1 regulates secondary cell wall thickening in cotton fibers by stabilizing the cellulose synthase complex on the plasma membrane”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13777)，揭示了GhCASPL1通过维持纤维素合酶复合体在质膜上的稳定性来调控棉纤维次生壁增厚过程。该研究表明，GhCASPL1是一种膜支架辅助蛋白，促进了纤维素的生物合成，并增进了对棉纤维细胞发育过程中次生壁增厚的理解。该研究利用特异识别棉纤维细胞次生壁形成期的纤维素合酶复合体亚基蛋白GhCesA4、GhCesA7和GhCesA8的抗体进行免疫共沉淀联合质谱分析 (IP-MS)，首次鉴定到一个新的CSC互作蛋白GhCASPL1 (Casparian strip membrane domain-like 1)。他们利用HA标签抗体进行IP-MS、免疫共沉淀分析以及萤光素酶互补、膜体系酵母双杂交等体内体外实验，证实了GhCASPL1与纤维素合酶复合体之间的互作关系。随后，该团队首次创制了棉花GhCASPL1及其同源基因GhCASPL2的CRSPR/Cas9双基因编辑突变体，获得不同位点被编辑的三个双突变体株系 (图1A)。与野生型相比，ghcaspl1 ghcaspl2突变体中纤维素合酶复合体膜结合能力减弱 (图1B)，其在细胞膜上的稳定性显著降低，进而使纤维素合酶酶活性降低 (图1C)，纤维素积累不足，导致棉纤维细胞次生细胞壁变薄 (图1D)。进一步探讨GhCASPL1参与棉纤维次生壁CSC功能发挥的机制，结果发现棉纤维细胞中细胞膜磷脂酸 (Phosphatidic
acid，PA) 含量显著高于其它磷脂分子 (图1E)。重组蛋白His-TF-GhCASPL1与植物体内的GhCASPL1蛋白能够与PA相互作用 (图1F)，暗示其可能与PA共同构建细胞膜支架，以维持纤维素合酶在质膜上的稳定性，从而促进棉纤维次生壁的增厚。图1. 棉纤维细胞次生壁特异的GhCASPL1功能及参与次生壁形成的分子机制
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图2.GhCASPL1参与棉纤维次生壁纤维素积累的模型
综上，该研究发现一个与棉纤维细胞次生壁CSC相互作用的新因子GhCASPL1，它能够与构成细胞膜的重要脂质PA结合，可能协同参与调节CSC在细胞质膜上的稳定性，从而帮助棉纤维细胞次生壁沉积 (图2)，为GhCASPL1作为膜支架影响棉纤维次生壁纤维素生物合成提供了证据，并为深入理解棉纤维细胞中次生壁纤维素生物合成机制提供了信息。这将有助于加深对纤维素生物合成的理解，并推动棉花分子育种的发展。
武汉大学高等研究院已毕业博士张丽为该论文第一作者，朱玉贤教授为通讯作者，王坤教授、温兴鹏博士、陈欣博士、周一凡博士研究生参与了本项目研究。该研究得到了国家科技创新2030重大项目 (2023ZD04069)、中国自然科学基金 (32388101和32200286)、湖北省洪山实验室基金 (2021hszd014)、湖北省自然科学基金 (2021CFA055) 和中国博士后科学基金 (2022TQ0240, 2022M722470) 等经费的支持。
Li,
T., Chen, C., Brozena, A.H., Zhu, J.Y., Xu, L., Driemeier, C., Dai, J., Rojas,
O.J., Isogai, A., Wagberg, L., and Hu, L.(2021).
Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material.
Nature. 590: 47-56.Huang,
G., Huang, J.Q., Chen, X.Y., and Zhu, Y.X.(2021).
Recent advances and future perspectives in cotton research. Annu Rev Plant
Biol. 72: 437-462.Wen,
X.P., Zhai, Y.F., Zhang, L., Chen, Y.J., Zhu, Z.Y., Chen, G., Wang, K., and
Zhu, Y.X. (2022). Molecular studies of cellulose
synthase supercomplex from cotton fiber reveal its unique biochemical
properties. Sci China Life Sci. 65: 1776-1793.文章引用：
Zhang, L., Wen, X., Chen, X., Zhou, Y., Wang, K., and Zhu, Y. (2024). GhCASPL1
regulates secondary cell wall thickening in cotton fibers by
stabilizing the cellulose synthase complex on the plasma membrane. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13777
