2024年9月4日，山东大学生命科学学院谭保才教授团队在Nature Plants上发表了题为“A sucrose ferulate cycle linchpin for ferulyolation of arabinoxylans in plant commelinid”s的研究论文。该论文揭示了一个全新的阿魏酰蔗糖代谢循环途径，其中蔗糖通过两步酶促反应合成二阿魏酰蔗糖，为细胞壁木聚糖阿魏酰化提供供体，进而经阿魏酰转移酶转化为蔗糖。该研究揭示了单子叶植物细胞壁中阿拉伯糖基木聚糖阿魏酰化的分子机制，从而解答了一个困扰科学界长达半个世纪的重大科学难题。

植物的细胞被细胞壁所包裹，这些细胞壁不仅将各个细胞分隔开，还塑造了植物不同组织、器官乃至整个植物体的形态。植物细胞壁的主要构成成分包括纤维素、半纤维素、果胶以及木质素。单子叶禾本科作物中，半纤维素主要由阿拉伯糖基木聚糖构成。这些木聚糖的阿拉伯糖基上，在O-3位或O-2位会发生阿魏酰基修饰。阿魏酰基之间通过共价键相互连接，形成二聚体和多聚体，进而将木聚糖链紧密联结。木聚糖的阿魏酰化过程对于植物的生长发育至关重要，同时也是改善作物农艺性状的重要调控点。然而，虽然经过了半个世纪的研究，细胞壁中木聚糖阿魏酰化的具体分子机制仍然是一个未解之谜。

该研究以玉米为遗传材料，通过正向遗传学手段克隆得到阿魏酰化相关基因Dow1。Dow1纯合突变体致死，突变后体胚和胚乳中细胞壁木聚糖阿魏酰基水平显著降低。DOW1蛋白主要定位在细胞质，少量定位在内质网。体外酶活实验表明，DOW1以阿魏酰-CoA和3-O-Fer sucrose为底物催化形成3,6－二阿魏酰蔗糖（3,6-diFer sucrose）。在BAHD家族中找到了四个酶（SFT1、SFT2、SFT3和SFT4）可以催化蔗糖和阿魏酰-CoA生成3-O-阿魏酰蔗糖（3-O-Fer sucrose），为DOW1提供底物。膜蛋白中存在一个水解酶可将3,6－二阿魏酰蔗糖脱阿魏酰化形成6-O-阿魏酰蔗糖（6-O-FA sucrose）。稳定同位素示踪实验表明，3,6－二阿魏酰蔗糖O-3和O-6位的阿魏酰基可以转移到细胞壁的木聚糖上，证明3,6－二阿魏酰蔗糖是木聚糖阿魏酰化的直接或间接供体，而6-O-阿魏酰蔗糖不是木聚糖阿魏酰化供体。以上结果揭示了单子叶植物中一个未知的阿魏酰蔗糖循环途径介导了细胞壁木聚糖的阿魏酰化（图1）。

图1. 单子叶植物细胞壁蔗糖阿魏酰化循环

该研究不仅为探索细胞壁木聚糖阿魏酰化的分子机制研究方面奠定了坚实的基础，而且为禾本科作物农艺性状的遗传改良提供了重要的靶点。鉴于这一研究结果在细胞壁研究领域的突破性贡献，Nature Plants邀请国际细胞壁研究领域权威专家，同期发表了专文评述。

山东大学生命科学学院谭保才教授为本文的通讯作者，博士后杨大林为该论文第一作者，团队已毕业博士李晓杰、张亚峰、刘慧和杨欢欢参与了该项研究。山东大学微生物技术研究院李盛英教授及团队成员张兴旺副研究员和刘明钰在读博士参与解析了3,6－二阿魏酰蔗糖的核磁共振数据。佛罗里达大学的Donald McCarty和Karen Koch教授对论文提出了建设性意见。该研究得到了国家自然科学基金重点项目（32230075）资助。谭保才教授团队以玉米为研究材料，长期从事植物种子发育分子遗传机制的研究，研究成果发表在Science、Nature Plants、Molecular Plant、PNAS、Plant Cell等国际权威期刊上，关于ABA合成途径的研究成果被编入美国大学教材《Plant Physiology》(Taiz & Zaiger ed.)。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01781-1

评述链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01787-9