水稻内皮层凯氏带在锰吸收中的双重作用机制解析

本研究针对水稻根系内皮层凯氏带(Casparian strip, CS)在锰(Mn)吸收中的调控机制展开深入探究。通过构建OsCASP1基因敲除突变体，首次揭示CS通过维持Mn转运蛋白(OsNramp5/OsMTP9)表达和阻止Mn扩散的双重作用，为理解植物应对不同Mn浓度环境的适应性策略提供新见解。该成果发表于《Journal of Experimental Botany》，对作物营养高效育种具有重要指导意义。

　　

在植物与环境的长期博弈中，根系演化出精密的矿质营养吸收系统。作为"守门人"的凯氏带(Casparian strip, CS)是内皮层细胞间木质素沉积形成的质外体屏障，其功能缺陷常导致"城门失守"——离子稳态失衡。水稻作为典型湿地作物，其根系具有外皮和内皮双层CS的特殊结构，但这两道"安检门"如何协同调控锰(Mn)吸收仍是个未解之谜。Mn作为光合系统II的核心组分，其吸收不足会导致叶片失绿，而过量积累又引发毒性。更复杂的是，稻田环境Mn浓度波动可达百倍，这要求水稻必须建立动态调控机制。

日本冈山大学植物资源研究所的Toshiki FUJII、Naoki YAMAJI和Jian Feng MA*团队在《Journal of Experimental Botany》发表研究，通过基因编辑、离子组学分析和免疫定位等技术，系统解析了OsCASP1基因调控的CS对Mn吸收的双重作用。研究采用两个独立的OsCASP1敲除突变体(oscasp1-1/2)，设置0.05-500 μM Mn梯度培养，结合SPAD值测定、ICP-MS元素分析、木质素染色和激光共聚焦显微技术，定量评估了CS缺陷对Mn转运蛋白OsNramp5/OsMTP9表达模式的影响。

Phenotypic analysis揭示浓度依赖性表型
在0.05 μM低Mn条件下，突变体新叶出现典型缺Mn失绿，SPAD值显著降低；而500 μM高Mn时，突变体叶片卷曲更严重。离子组分析显示突变体在<50 μM Mn时地上部Mn含量降低31%，但在500 μM时反而升高23%，呈现明显的"低减高增"现象。

Xylem sap analysis证实运输调控
木质部汁液检测发现，0.5/50 μM Mn时突变体Mn运输量减少，而500 μM时增加1.8倍，这与地上部积累趋势一致，表明CS在高Mn时主要发挥屏障功能。

Immunostaining揭示转运蛋白表达模式
通过定量免疫荧光发现：OsNramp5仍保持外皮远轴/内皮远轴极性定位，但突变体内皮层的蛋白丰度降低40%；OsMTP9维持外皮近轴/内皮近轴定位，内皮信号同样减弱。值得注意的是，两种蛋白在木质素过度沉积的内皮细胞中完全缺失，形成"斑块状"表达模式。

Suberin deposition与转运蛋白互斥
共定位实验首次证实，OsCASP1缺陷引发的木质素过度沉积与Mn转运蛋白表达呈空间互斥——仅在未沉积木质素的内皮细胞中检测到转运蛋白信号。这解释了低Mn时吸收下降的机制：木质素"封堵"了转运蛋白的表达位点。

该研究突破性地揭示了植物应对Mn浓度波动的双重策略：在低Mn时，完整CS通过维持OsNramp5/OsMTP9正常表达保障吸收；高Mn时，CS作为物理屏障阻止过量Mn进入中柱。这一发现不仅完善了植物营养吸收的理论框架，更为作物抗逆育种提供了新靶点——通过精准调控CS发育阶段，可能实现不同Mn环境下的最优吸收效率。研究还提出了"木质素-转运蛋白互斥"的新概念，为理解根系屏障与转运系统的协同进化提供重要线索。