LACCASE3/5/12/13介导种皮木质素沉积调控种子吸胀与萌发的新机制

《Cell Reports》：The LACCASE3/5/12/13 clade mediates seed coat lignin deposition and regulates imbibition and germination

　　本研究针对种皮木质素沉积的时空调控机制及其生理功能不明确的问题，通过遗传学、代谢组学和成像技术，发现拟南芥LAC3/5/12/13分支在种皮外层细胞（oi1）特异性表达并催化木质素聚合。缺失该分支导致种皮屏障功能丧失，促进水势传感器FLOE1相分离，加速种子吸水和萌发。该研究揭示了种皮木质素作为物理屏障调控种子休眠与萌发平衡的关键作用，为作物种子性状改良提供了新靶点。

　　

种子是植物繁衍的核心载体，其休眠与萌发的精准调控对生态系统和农业生产至关重要。种皮作为保护胚胎的物理屏障，其木质素沉积如何时空特异性调控并影响种子生理功能，长期以来缺乏遗传证据。以往研究虽在多种植物中观察到种皮木质素的存在，但负责其聚合的关键酶及具体生理意义仍不明确。

本研究聚焦拟南芥中一个保守的漆酶分支LAC3/5/12/13（简称SEAL），通过系统发育分析发现该分支为种子植物特有，且其成员在种皮发育晚期特异性表达于外层细胞（oi1）。利用CRISPR-Cas9技术构建多重突变体，结合荧光报告基因和代谢组学，证实SEAL是种皮木质素沉积的主要催化酶。缺失SEAL后，种皮通透性显著增加，胚胎水势传感器FLOE1的相分离加速，种子在渗透胁迫下仍能快速萌发，揭示了种皮木质素作为水分子屏障的核心作用。

关键技术方法

研究采用系统发育分析筛选种子植物保守漆酶分支；通过CRISPR-Cas9构建lac3/5/12/13等多重突变体；利用荧光报告基因（pLAC::3xVenus-NLS、pLAC::LAC-EGFP）定位蛋白表达；采用刺激拉曼散射（SRS）显微镜和碱性品红染色可视化木质素沉积；通过液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）和硫代酸解法量化新木脂素和木质素单体；以pFLOE1::FLOE1-EGFP作为内源水势传感器监测胚胎相分离动态。

研究结果

1. 种皮木质素沉积的时空特异性

通过碱性品红染色和SRS显微镜观察发现，木质素在种子发育成熟期（9-10 DAF）特异性沉积于oi1细胞壁，且呈非极性分布。

2. LAC3/5/12/13是种皮特异性漆酶

系统发育分析显示LAC3/5/12/13为种子植物保守分支。启动子报告基因表明LAC3/5/12在oi1层特异性激活，且其表达受MYB107转录因子调控。蛋白定位证实LAC3/5/12-EGFP定位于oi1细胞壁。

3. SEAL调控种皮通透性

lac3/5/12/13突变体对四唑盐和NaClO的通透性显著增加，且木质素沉积减少80%以上。回补实验显示LAC5和LAC12可完全恢复屏障功能。

4. SEAL介导种皮木质化

硫代酸解-GC/MS分析显示突变体中H、G、S型木质素单体减少54-90%。LC-MS/MS进一步证实新木脂素合成受阻，而SC(4-O-8)S积累提示代谢流中断。

5. 种皮木质素控制吸水和萌发

在lac3/5/12/13突变体中，FLOE1-EGFP在水分和甘露醇胁迫下均快速相分离，表明种子失去水分感知能力。突变体萌发速率接近剥除种皮的野生型种子，且在ABA处理下仍保持高萌发率。

结论与意义

本研究首次明确了LAC3/5/12/13分支在种皮木质素沉积中的核心作用，解析了其通过调控种皮屏障功能影响种子吸胀和萌发的分子机制。种皮木质素作为“水分子闸门”，使种子能够感知环境水势并抑制不利条件下的萌发，这一机制为作物育种提供了新思路：通过调控SEAL表达可优化种子萌发一致性，增强抗逆性，同时避免因木质素缺失导致的植株生长缺陷。该研究发表于《Cell Reports》，为种子性状的精准改良奠定了理论基础。