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    生物礦化課題組揭示水稻細胞壁上與硅結合的有機配體是木葡聚糖
    發布時間:2021-05-10

    近日, 我校資源與環境學院生物礦化課題組首次提出在水稻單細胞的細胞壁中,硅可以和半纖維素組分中的木葡聚糖共價交聯形成有機硅復合物,進而改善細胞壁的力學性能和結構穩定性。相關研究成果發表在Carbohydrate Polymers上。

    硅是地殼中含量第二豐富的元素,也是水稻生長的必需營養元素,能幫助水稻緩解各種非生物和生物脅迫。課題組從最初發現水稻植株中除了無機的二氧化硅外,細胞壁上還存在一種與半纖維素結合的微量有機硅(He et al., New Phytol., 2013; 2015),并對水稻抵抗重金屬鎘脅迫(Liu et al., New Phytol., 2013;Ma et al., New Phytol., 2015)具有重要的生物學功能。然而,細胞壁中半纖維素組分眾多,硅到底與其中何種組分交聯,一直是研究中的“攔路虎”,成為難以攻克的“瓶頸”問題。

    為了進一步確定有機硅與半纖維素交聯的組分,課題組又經過五年艱難摸索,聯合借助了電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)和X射線光電子能譜(XPS)分析了半纖維素組分中含量最高的木聚糖和木葡聚糖上硅含量和化學組成;基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF MS)測定了木葡聚糖和木聚糖的寡糖釋放量;原子力顯微鏡(AFM)液下成像活細胞,并借助AFM峰值力定量納米力學成像(PF-QNM)針尖修飾的木葡聚糖-1,4-內切葡聚糖酶(XEG)和1,4-b-內切木聚糖酶與纖維素絲表面的單分子粘附力,最終確定了硅主要與半纖維素中的木葡聚糖共價結合(圖1),從而增強對纖維素酶解的抗性(圖2),并改善了細胞壁的納米機械性能。該研究顯著地推動了植物硅營養研究的進程,并對理解硅元素的植物營養作用具有深刻的理論意義。

    該研究由國家自然科學基金(31672222 和31172027)資助,論文第一作者為博士研究生蒲軍保,王荔軍教授和張文君副教授為共同通訊作者。

    原位原子力顯微鏡(AFM)定量納米力學(PF-QNM)成像細胞壁。(a) PEG交聯劑通過連接半胱氨酸將木葡聚糖酶(XEG)修飾到AFM針尖上。(b)減硅細胞壁用果膠酶反應30分鐘前后的原子力形貌圖。去果膠后的(c-e)減硅和(f-h)加硅細胞壁的(c, f )高度圖,(d, g)粘附力圖和(e, h)它們的合并圖像。(i) 典型的無粘附力、非專一性和專一性結合的力-距離曲線。(j) 加硅細胞壁上XEG 的結合位點顯著比減硅細胞少。

    原位原子力顯微鏡(AFM)定量納米力學(PF-QNM)成像細胞壁。(a) PEG交聯劑通過連接半胱氨酸將木葡聚糖酶(XEG)修飾到AFM針尖上。(b)減硅細胞壁用果膠酶反應30分鐘前后的原子力形貌圖。去果膠后的(c-e)減硅和(f-h)加硅細胞壁的(c, f )高度圖,(d, g)粘附力圖和(e, h)它們的合并圖像。(i) 典型的無粘附力、非專一性和專一性結合的力-距離曲線。(j) 加硅細胞壁上XEG 的結合位點顯著比減硅細胞少。

    原位原子力顯微鏡(AFM)觀察纖維素酶原位溶解細胞壁的時間動態圖。(a-d)減硅細胞壁的原位溶解圖及 (c1-c4)圖c中藍色虛線框中單根纖維絲放大后的酶解時間動態圖。(e-h)加硅細胞壁的酶解動態圖及(e1-h1)放大后單根纖維絲的酶解時間動態圖。

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