中国科学院分子植物科学卓越中心晁代银教授团队在《自然植物》杂志上发表的一项研究中，在植物中发现了一个新的蛋白质家族，命名为GAPLESS，并揭示了该家族的成员介导凯氏带(CS)处细胞壁和质膜之间的粘附，凯氏带是根内皮层的屏障。这种粘附在控制养分运输和水稻生长发育中起着至关重要的作用。

生物体需要屏障来控制物质的运输和交换。在动物中，肠道上皮细胞通过一系列细胞膜融合蛋白紧密锚定，形成“紧密连接”，密封细胞间隙，控制营养物质的摄入，同时防止营养物质渗漏。根是植物吸收和运输水分和养分的器官，其结构和功能类似于动物肠道。根内胚层细胞类似于肠上皮细胞，具有控制水/养分运输和防止水/养分泄漏的功能。

然而，由于细胞壁的存在，植物根内胚层细胞不能像肠上皮细胞那样建立直接的紧密连接。植物已经形成了一种独特的细胞壁结构，称为CS，可防止水和养分的自由扩散。这种结构以其发现者罗伯特·卡斯帕里(RobertCaspary)的名字命名，由高度疏水性木质素组成，可防止水溶性物质的自由扩散。

1935年，美国科学家布莱恩特发现CS旁边的质膜，即所谓的CS结构域(CSD)，紧密地粘附在CS上，类似于动物中的紧密连接。这种粘附力非常强，甚至无法通过撕裂细胞的高渗透处理来分离。据推测，这种粘附在植物中发挥着重要作用。由于研究难度大且缺乏证据，这一推测尚未得到证实，其产生的分子基础和粘附机制仍不清楚。

在本研究中，研究人员首先通过生物信息学分析，鉴定出一系列在水稻根内皮层特异表达的基因。其中，三个先前未表征的基因在序列上高度相似，它们编码的蛋白质具有富含甘氨酸(G)、丙氨酸(A)和脯氨酸(P)的C端非保守结构以及保守的凝集素结构域(LE)和N末端的分泌信号肽(SS)。研究人员将这个家族命名为“GAPLESS”。这些蛋白质广泛存在于植物中并且特异性地表达在内皮层的未浆化细胞中。

当分别敲除编码这三个GAPLESS蛋白的基因时，只有突变体gapless1表现出明显的生长和离子稳态缺陷，例如株高降低、分蘖减少、个体产量降低、钾离子水平降低、钙离子水平升高。然而，双突变体gapless1/2表现出极其严重的生长和离子稳态表型，产量不到野生型的3%，钾离子含量仅为野生型的10%。这些结果表明了这些蛋白质的重要​​性，并表明这些基因的功能冗余。

后续研究表明，单突变体gapless1的根内皮层阻止水溶性分子自由扩散的屏障功能下降，而双突变体gapless1/2的根内皮层的屏障功能受损更为严重。然而，进一步调查发现，他们的CS木质素积累并没有缺陷;相反，gapless1/2双突变体中的CS更宽、更强。这表明它们的势垒缺陷不是由CS缺陷引起的。

由于CS和CSD的粘附对于建立内胚层细胞屏障是必要的，因此研究人员使用电子显微镜观察野生型和突变植物中的这种结构。结果表明，gapless1单突变体中CS和CSD的粘附力减弱，gapless1/2双突变体中大约一半的粘附力完全丧失，甚至剩余的粘附力也严重缩小。这些发现表明，GAPLESS蛋白家族对于CS和CSD粘附是必需的，并且这种细胞粘附对于水稻的营养平衡和生长发育至关重要。

进一步的研究表明，GAPLESS蛋白特异性定位于CS，并且与特异性定位于CSD的OsCASP1蛋白接近。一系列实验证据表明，GAPLESS蛋白可以与OsCASP1强烈相互作用，形成强大的GAPLESS-OsCASP复合物。因此，嵌入CS中的GAPLESS蛋白和嵌入CSD中的OsCASP形成稳定的复合物，将CS粘附在细胞膜上，从而阻止根部中水和离子的自由扩散。

GAPLESS分子特征和作用机制的阐明不仅刷新了对细胞壁蛋白功能的认识，而且拓展了对多细胞生物中细胞粘附机制的认识。

这项研究揭开了CS细胞膜粘附形成分子机制的百年之谜，并证实了这种紧密粘附对于植物营养平衡和生长发育的重要性。它对于提高矿质养分利用效率以及破译植物耐盐和耐旱机制具有重要意义，因为CS在植物选择性吸收和对干旱和盐度等胁迫的响应中发挥着至关重要的作用。

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