image: （A）纤维素合酶缺失突变体株系的茎秆严重矮化；（B）突变体株系的纤维细胞完全丧失次生壁加厚。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
世界上的植被每年生产大约1800亿吨纤维素，使得这种多糖成为地球上最大的有机碳库和最丰富的生物大分子。纤维素主要由维管植物、大量的藻类和一些细菌、原生生物和被囊动物产生。棉花纤维作为次生壁加厚的单细胞毛状体，90%以上的细胞壁成分由纤维素组成，是纺织工业中最普遍的天然原料，在全球经济中发挥着重要的作用。棉纤维细胞可通过纤维素合酶复合体合成大量的纤维素并进一步组装进细胞壁内形成微纤丝结构。然而，包括棉纤维在内的不同组织或物种中纤维素合酶复合体的亚基数量及其合成的纤维素微纤丝中葡聚糖链数目的关系仍然不确定。
近日，Science China Life Sciences (《中国科学：生命科学》英文版)在线发表了武汉大学高等研究院朱玉贤院士团队题为“Molecular studies of cellulose synthase supercomplex from cotton fiber reveal its unique biochemical properties”的研究成果，该团队通过非变性凝胶电泳和同步辐射X射线散射技术，发现棉纤维细胞中次生壁内独特的72根葡聚糖链纤维素微纤丝结构是由36聚体纤维素合酶超级复合体负责催化合成。
在本研究中，作者发现陆地棉纤维细胞的3个纤维素合酶GhCesA4、7和8组装成一个36聚体纤维素合酶超级复合体。这种超级复合体只特异性地存在于次生壁形成期的棉纤维细胞中，棉花茎组织或拟南芥材料制备的样品中均未观察到这种36聚体。对这3个基因中的任何一个进行基因敲除，都会导致超级复合体的消失并伴随着严重的生长缺陷，如茎秆矮化和纤维细胞完全丧失次生壁加厚。此外，GhCesA4、7和8能够互补拟南芥直系同源基因突变体的表型，而非直系同源基因则无法互补，这表明三个亚基中的每一个对于拟南芥纤维素合酶复合体的形成及功能发挥都是必不可少的。从野生型棉纤维中制备的36聚体纤维素合酶超级复合体表现出极高的酶活性，而仅形成六聚体的拟南芥样品中酶活性降低50％以上，在只拥有二聚体的突变体棉纤维中发现了略高于本底的酶活性，这暗示更多的亚基数目可能会增加纤维素合酶复合体的合成效率。对纤维素微纤丝结构的研究表明，不同植物材料中存在4种截然不同的类型：野生型棉纤维次生壁中的微纤丝拥有72根葡聚糖链，来自初生壁和ghcesa4、7和8缺失突变体的纤维中包含36根葡聚糖链，绿豆下胚轴和云杉茎中含有24根葡聚糖链，而芹菜叶柄、棉花和拟南芥的茎组织中的微纤丝均由18根葡聚糖链组成。
总而言之，该研究首次通过实验证实了棉纤维次生壁形成期36聚体纤维素合酶超级复合体的存在。此36聚体的形成需要GhCesA4、7和8的参与，而在3个基因的任一突变体纤维中仅观察到二聚体的形成。同时，研究团队创制了世界上第一个没有次生壁沉积的成熟棉纤维细胞，并且发现野生型陆地棉纤维次生壁中的纤维素微纤丝由72根葡聚糖链组成，显著不同于其它组织或物种的18或24 链。具有高酶活性的棉纤维细胞微粒体能够在体外系统中合成β-1,4-葡聚糖链，其合成效率显著高于拟南芥材料及其它组织。棉花纤维素合酶复合体及其合成产物的特性研究，将有助于我们了解不同植物物种中次生壁生物合成的调控机制。
研究详情请见原文：
Molecular studies of cellulose synthase supercomplex from cotton fiber reveals its unique biochemical properties
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-022-2083-9
Journal
Science China Life Sciences