龚继明研究组揭示植物根中质外体铁再利用的新机制

铁（Fe）是植物必需的矿质营养元素, 在光合作用等诸多生理代谢过程中发挥着重要的作用，但是由于其在土壤中的生物有效性低下，导致植物缺Fe现象比较普遍。植物根系质外体空间被认为是植物重要的Fe贮存库，快速、有效地利用根系的质外体Fe是植物耐受缺Fe生境的重要机制。但是质外体铁到底如何被利用知之甚少。

2021年6月23日，Molecular plant在线发表了植物分子遗传国家重点实验室龚继明研究组题为“Galactosylation of Rhamnogalacturonan-II for cell wall pectin biosynthesis is critical for root apoplastic iron reallocation in Arabidopsis”的研究论文。该论文揭示Cdi基因介导的细胞壁合成在植物根部质外体Fe再利用机制中扮演重要角色。

前期研究表明，Cdi基因纯合突变导致雄配子不育而致死，因此该研究首先构建了Cdi基因的花粉特异互补的纯合突变体，并观察到突变体根部变短，细胞膨大，细胞壁发育畸形等表型。由于该表型与细胞壁果胶组分中鼠李半乳糖醛酸聚糖-II（RG-II）合成受阻的突变体mgp4非常类似，研究人员推测Cdi可能也参与RG-II合成相关的生物学过程。进一步研究发现Cdi突变体根部细胞壁中的RG-II二聚化受到抑制，且其A链缺少了一个半乳糖残基。随后通过体外纯化Cdi蛋白及一系列酶活实验确定Cdi通过将GDp-L-半乳糖转移至RG-II A链末端从而调控RG-II二聚化的生物学过程。

有趣的是，Cdi基因的表达特异性受缺Fe诱导，而且缺Fe处理后的Cdi突变体比野生型更易出现叶片萎黄等缺铁症状。缺Fe情况下，野生型根部的Fe大量向地上部转移，而突变体根部的Fe转移则严重受阻。进一步研究发现Cdi突变使细胞壁对Fe的吸附能力增强，导致根部质外体Fe的再利用受到抑制，从而降低Fe从根部向地上部的转运。

该研究为细胞壁生物合成调控质外体Fe再分配提供了直接证据，表明根部质外体Fe库的有效利用受到植物主动严密调控，而Cdi介导的果胶合成对于此生物学过程的调控至关重要。

该研究与中科院遗传与发育生物学研究所周奕华研究员团队、湖南科技大学植物营养与逆境生理团队合作完成。龚继明研究员和周奕华研究员为论文共同通讯作者，湖南科技大学彭佳师博士、遗传发育所张保才博士、中科院分子植物卓越中心已毕业博士生陈浩及在读博士生王梦琦为论文共同第一作者。研究得到中科院先导专项以及国家自然科学金等项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205221002288?via%3Dihub

龚继明研究组揭示植物根中质外体铁再利用的新机制