林业所林木不定根生长发育和氮吸收的分子调控机制研究 取得重要进展

图1 全基因组关联分析鉴定到总根长性状相关的PcabHLH58和PcabHLH151基因及其启动子活性分析

图2PcabHLH58和PcabHLH151过表达植株和基因编辑植株表型分析

图3 围绕PcabHLH58和PcabHLH151影响青杨不定根生长发育和氮吸收的调控模型

林木不定根（Adventitious root, AR）的形成情况直接决定了扦插初期的成活率，而其后续的生长发育状况则进一步影响着苗木对养分与水分的吸收效率，最终对木材的产量产生决定性影响。青杨（Populus cathayanaRehd.）是我国特有的乡土树种，具速生、耐寒、根系发达及适应性强等优良特性。其天然种质的生根性状遗传变异十分丰富，为解析不定根生长发育的遗传基础提供了不可多得的种质资源。然而，目前林木不定根生长发育相关的分子调控网络尚缺乏系统解析，其中的关键基因仍有待深入阐明。

近日，林业所分子生物学与智慧育种研究室在《Nature communications》上发表了题为“PcabHLH58/PcabHLH151 regulates adventitious root development and nitrogen uptake in poplar”的研究论文，揭示了青杨PcabHLH58和PcabHLH151介导的PcaSCL33/PcaSHR-PcaWOX5、PcaPLT1-PcaWOX5信号通路在调控根次生韧皮部细胞生长的分子机制。

研究团队基于393份青杨天然种质不定根生根性状全基因组关联分析（GWAS）鉴定到两个和总根长性状密切相关的PcabHLH58和PcabHLH151两个bHLH转录因子（图1），组织特异性分析和启动子活性分析发现PcabHLH58较PcabHLH151均在根中高表达，并且在根的韧皮部中特异性表达。

研究团队进一步创制了上述基因的过表达株系和单基因、双基因编辑株系，基因编辑株系的株高、地径、最大根长、总根长以及生物量均显著低于野生型。组织学分析进一步发现，基因编辑株系根的韧皮部细胞在细胞壁厚度、细胞数量和细胞大小方面均显著低于野生型（图2）。对转基因株系正常氮处理可部分挽救基因编辑植株的生长表型，低氮处理则放大了基因编辑株系和野生型之间的表型差异；而基因编辑植株总氮含量和净¹⁵NO₃-吸收速率也呈显著降低趋势。

酵母杂交试验、凝胶迁移试验和双荧光素酶试验证明，PcabHLH58和PcabHLH151蛋白能够通过形成同源或者异源二聚体，分别对PcaSCL33的表达起促进作用，对PcaPLT1的表达起抑制作用。其中PcabHLH58具有较高的表达水平和较强的调控能力，在该调控通路中起着主导作用。此外，PcaPAR1蛋白作为抑制因子，能够分别和PcabHLH58和PcabHLH151蛋白结合来减弱其对下游靶基因的调控作用，进而起到反馈调节的作用。

综上所述，PcabHLH58和PcabHLH151蛋白能够通过形成同源或者异源二聚体的方式，来调控PcaSCL33/PcaSHR-PcaWOX5和PcaPLT1-PcaWOX5信号通路，从而在不定根生长发育中发挥着重要作用，而PcaPAR1蛋白则在上述网络中起到反馈调节的作用以维持其稳态。该研究构建杨树不定根生长发育的调控模型（图3），为深入解析杨树不定根生长发育的分子机理奠定理论基础，也为培育生根性状优良和氮吸收高效的杨树新品种提供宝贵的遗传资源。

林业所张磊助理研究员、胡建军研究员为该论文的通讯作者，博士研究生魏涵天、博士后周星鲁为该论文的共同第一作者。该研究得到了中国林科院基本科研业务费（CAFYBB2024QF011）、国家自然科学基金项目（32401601和32071797）以及农业生物育种国家科技重大专项（2023ZD04072和2022ZD0401501）等项目的支持。