研究揭示植物根部質外體 Fe 再利用機制

鐵（Fe）是植物必需的礦質營養元素, 在光合作用等諸多生理代謝過程中發揮著重要的作用，但是由于其在土壤中的生物有效性低下，導致植物缺 Fe 現象比較普遍。植物根系質外體空間被認為是植物重要的 Fe 貯存庫，快速、有效地利用根系的質外體 Fe 是植物耐受缺 Fe 生境的重要機制。但是質外體鐵到底如何被利用知之甚少。

近日，Molecular Plant 在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心龔繼明研究組的研究論文。該論文揭示 Cdi 基因介導的細胞壁合成在植物根部質外體 Fe 再利用機制中扮演重要角色。

前期研究表明，Cdi 基因純合突變導致雄配子不育而致死，因此該研究首先構建了 Cdi 基因的花粉特異互補的純合突變體，并觀察到突變體根部變短，細胞膨大，細胞壁發育畸形等表型。由于該表型與細胞壁果膠組分中鼠李半乳糖醛酸聚糖 - II（RG-II）合成受阻的突變體 mgp4 非常類似，研究人員推測 Cdi 可能也參與 RG-II 合成相關的生物學過程。 

進一步研究發現 Cdi 突變體根部細胞壁中的 RG-II 二聚化受到抑制，且其 A 鏈缺少了一個半乳糖殘基。隨后通過體外純化 Cdi 蛋白及一系列酶活實驗確定 Cdi 通過將 GDP-L - 半乳糖轉移至 RG-II A 鏈末端從而調控 RG-II 二聚化的生物學過程。

有趣的是，Cdi 基因的表達特異性受缺 Fe 誘導，而且缺 Fe 處理后的 Cdi 突變體比野生型更易出現葉片萎黃等缺鐵癥狀。缺 Fe 情況下，野生型根部的 Fe 大量向地上部轉移，而突變體根部的 Fe 轉移則嚴重受阻。進一步研究發現 Cdi 突變使細胞壁對 Fe 的吸附能力增強，導致根部質外體 Fe 的再利用受到抑制，從而降低 Fe 從根部向地上部的轉運。

該研究為細胞壁生物合成調控質外體 Fe 再分配提供了直接證據，表明根部質外體 Fe 庫的有效利用受到植物主動嚴密調控，而 Cdi 介導的果膠合成對于此生物學過程的調控至關重要。