高粱籽粒发育过程中细胞壁多糖时空分布特征及其对谷物品质的调控机制

为解决高粱籽粒细胞壁多糖沉积机制不明的问题，研究人员通过免疫荧光标记和生化分析，首次揭示了发育过程中内胚乳和外表层半乳木葡聚糖(XLLG/XLXG)、果胶等次要多糖的时空分布规律，结合RNAseq发现细胞壁合成基因(如GT61、CslF/H)在早期高表达且存在组织特异性，为改良谷物膳食纤维品质提供了新靶点。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，抗旱作物高粱（Sorghum bicolor [L.] Moench）因其环境适应性强和营养丰富而备受关注。然而，与小麦、水稻等主粮相比，高粱籽粒品质形成机制研究明显滞后，尤其是细胞壁多糖沉积这一影响谷物加工特性和营养功能的关键过程仍存在大量空白。现有研究多集中于成熟籽粒的组分分析，对发育动态过程的认识严重不足，这极大限制了通过分子育种手段改良高粱膳食纤维品质的进程。

法国农业食品与环境研究院（INRAE）联合CIRAD Montpellier的研究团队在《Journal of Cereal Science》发表论文，首次系统揭示了高粱籽粒发育过程中细胞壁多糖的时空分布规律。研究人员采用免疫荧光标记结合高效阴离子交换色谱（HPAEC）等生化技术，追踪了从细胞化结束到成熟期不同组织的多糖动态变化，同时整合转录组数据解析相关基因表达模式。

关键技术包括：对MACIA品种7-40天发育籽粒进行分层取样；通过XyG特异性内切葡聚糖酶处理结合HPAEC鉴定木葡聚糖核心结构；选用16种抗体进行多糖免疫定位；基于RNAseq分析细胞壁合成基因表达。

【材料与方法】
研究选用无单宁白粒高粱品种MACIA，在CIRAD Montpellier温室培育并分5个时间点（7-40 DAF）取样。通过手工剥离获得外层（果皮、种皮等）与内胚乳样本。

【结果】

1. 组织学分析显示外层组织在早期占主导（21 DAF达60%），后期被淀粉充盈的内胚乳取代。
2. 免疫标记首次检测到次要多糖：木葡聚糖（XyG）以半乳糖基化的XXXG型（含XLXG/XLLG单元）存在；果胶（HG/RGI/RGII）和杂甘露聚糖在外层特定发育阶段出现。
3. 转录组揭示80%细胞壁基因呈现发育阶段特异性表达，如GT61家族阿拉伯糖基转移酶和CslF/H家族MLG合成酶在早期高表达；外层组织纤维素合酶（CesA）和GT47家族基因表达量普遍高于内胚乳。

【结论】
该研究构建了高粱籽粒细胞壁形成的动态模型：早期阶段活跃的多糖合成（特别是外层组织）为后续淀粉沉积提供支架；特有的半乳木葡聚糖结构可能影响籽粒硬度；果胶的阶段性出现暗示其在细胞分离中的作用。这些发现不仅填补了禾本科作物细胞壁发育的知识空白，更为分子设计育种提供了重要靶点——通过调控GT61、CslC等基因表达可能定向改良膳食纤维组成，这对开发低血糖指数、高营养价值的高粱食品具有重要指导意义。