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细胞壁包裹植物细胞，为植物直立生长提供机械支撑，同时也为植物细胞应对外界逆境刺激提供了重要保护屏障。细胞壁也是植物生物质的主要组成，为生物质燃料生产提供了重要的原料。通过基因工程改良植物细胞壁是提高生物质糖化效率，降低生物质燃料生产成本的有效途径之一。然而，细胞壁的修饰常常导致植物生长发育异常。因此，如何在提高生物质降解效率的同时保持或增强作物生长发育和抗逆能力，仍是一个具有挑战性的课题。
近日，沈阳农业大学水稻研究所陈温福院士团队在国际著名期刊Journal of Hazardous Materials在线发表了题为The Fragile culm19 (FC19) mutation largely improves plant lodging resistance, biomass saccharification, and cadmium resistance by remodeling cell walls in rice的研究论文，揭示了木聚糖合成关键基因FC19/IRX10突变介导了水稻细胞壁组成和结构的改变，提高抗倒伏、生物质降解和镉抗性的作用机制。研究结果为定向改良水稻细胞壁，培育高抗倒伏和高生物质利用效率的安全水稻提供了重要的靶基因和改良策略。
该研究通过共表达分析筛选到与水稻次生壁纤维素合酶基因CESA共表达的基因FC19。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术创建了FC19基因的突变体，fc19-1和fc19-2。多种技术联合测定表明，与野生型相比，fc19突变体的木糖、半纤维素和纤维素含量降低，阿拉伯糖和木质素含量增加，果胶和糖醛酸无明显变化。尽管突变体表现脆性，但其刚性抗折力增强，具有更强的抗倒伏能力。此外，fc19突变体的细胞壁改变和生物质孔隙的增加，显著提高了其秸秆生物质糖化效率。进一步研究发现，突变体表现出更强的镉抗性，地下和地上部分都表现出较低的镉积累。FC19突变影响了水稻镉吸收、固定和转运等过程关键基因的表达。抽穗期茎秆组织的转录组比较分析显示，FC19突变引起的全基因组差异基因主要参与细胞壁多糖和木质素代谢过程。最后，研究人员提出了一个模型来阐明FC19突变介导的细胞壁重塑如何提高水稻的抗倒伏能力、生物质糖化效率和镉抗性。
沈阳农业大学农学院水稻研究所研究生党正君为论文的第一作者，李丰成副教授和徐铨教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目和辽宁省科技厅面上项目的支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423013031
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