During the evolution of land plants from aquatic to terrestrial environments, their aerial surfaces were surrounded by cuticle composed of cutin and cuticular waxes to protect them from environmental stresses. Glycerol-3-phosphate acyltransferase (GPAT) harboring bifunctional sn-2 acyltransferase/phosphatase activity produces 2-monoacylglycerol, a precursor for cutin synthesis. Here, we report that bifunctional sn-2 GPATs play roles in cuticle biosynthesis and gametophore development of Physcomitrella patens. Land plant-type cuticle was observed in gametophores but not in protonema. The expression of endoplasmic reticulum-localized PpGPATs was significantly upregulated in gametophores compared with protonema. Floral organ fusion and permeable cuticle phenotypes of Arabidopsis gpat6-2 petals were rescued to the wild type (WT) by the expression of PpGPAT2 or PpGPAT4. Disruption of PpGPAT2 and PpGPAT4 caused a significant reduction of total cutin loads, and a prominent decrease in the levels of palmitic and 10,16-dihydroxydecanoic acids, which are major cutin monomers in gametophores. Δppgpat2 mutants displayed growth retardation, delayed gametophore development, increased cuticular permeability, and reduced tolerance to drought, osmotic and salt stresses compared to the WT. Genome-wide analysis of genes encoding acyltransferase or phosphatase domains suggested that the occurrence of sn-2 GPATs with both domains may be a key event in cuticle biogenesis of land plants.

中文翻译：

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陆地植物特异性甘油-3-磷酸酰基转移酶的发生对于立球菌的角质层形成和配子体发育至关重要。

在陆地植物从水生环境到陆生环境的进化过程中，它们的空中表面被角质层和角质层蜡组成的角质层包围，以保护它们免受环境压力。具有双功能 sn-2 酰基转移酶/磷酸酶活性的 3-磷酸甘油酰基转移酶 (GPAT) 可产生 2-单酰基甘油，它是角质合成的前体。在这里，我们报告了双功能 sn-2 GPAT 在立球菌的角质层生物合成和配子体发育中发挥作用。在配子体中观察到陆地植物型角质层，但在原丝体中没有观察到。与原丝体相比，内质网定位的 PpGPATs 的表达在配子体中显着上调。通过表达 PpGPAT2 或 PpGPAT4 将拟南芥 gp​​at6-2 花瓣的花器官融合和可渗透角质层表型拯救为野生型 (WT)。PpGPAT2 和 PpGPAT4 的破坏导致总角质负荷显着减少，棕榈酸和 10,16-二羟基癸酸水平显着降低，它们是配子体中的主要角质单体。与野生型相比，Δppgpat2 突变体表现出生长迟缓、配子体发育延迟、表皮通透性增加以及对干旱、渗透和盐胁迫的耐受性降低。对编码酰基转移酶或磷酸酶结构域的基因的全基因组分析表明，具有两个结构域的 sn-2 GPAT 的出现可能是陆地植物角质层生物发生的关键事件。PpGPAT2 和 PpGPAT4 的破坏导致总角质负荷显着减少，棕榈酸和 10,16-二羟基癸酸水平显着降低，它们是配子体中的主要角质单体。与野生型相比，Δppgpat2 突变体表现出生长迟缓、配子体发育延迟、表皮通透性增加以及对干旱、渗透和盐胁迫的耐受性降低。对编码酰基转移酶或磷酸酶结构域的基因的全基因组分析表明，具有两个结构域的 sn-2 GPAT 的出现可能是陆地植物角质层生物发生的关键事件。PpGPAT2 和 PpGPAT4 的破坏导致总角质负荷显着减少，棕榈酸和 10,16-二羟基癸酸水平显着降低，它们是配子体中的主要角质单体。与野生型相比，Δppgpat2 突变体表现出生长迟缓、配子体发育延迟、表皮通透性增加以及对干旱、渗透和盐胁迫的耐受性降低。对编码酰基转移酶或磷酸酶结构域的基因的全基因组分析表明，具有两个结构域的 sn-2 GPAT 的出现可能是陆地植物角质层生物发生的关键事件。与 WT 相比，表皮通透性增加，对干旱、渗透和盐胁迫的耐受性降低。对编码酰基转移酶或磷酸酶结构域的基因的全基因组分析表明，具有两个结构域的 sn-2 GPAT 的出现可能是陆地植物角质层生物发生的关键事件。与 WT 相比，表皮通透性增加，对干旱、渗透和盐胁迫的耐受性降低。对编码酰基转移酶或磷酸酶结构域的基因的全基因组分析表明，具有两个结构域的 sn-2 GPAT 的出现可能是陆地植物角质层生物发生的关键事件。