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责编 | 王一
木材是世界上最丰富的可再生资源之一，是天然环保和低能耗材料。树木茎维管分生组织中的形成层干细胞，具有自我更新的能力，通过不断分裂分化产生次生木质部细胞，形成木材。植物学家Sanio早在1873年提出了著名的假说，维管分生组织中的干细胞形成圆柱形单一细胞层，经细胞分裂、细胞扩张产生由大约八层维管形成层细胞组成的增殖区，进一步分化为木质部细胞。虽然该假说已经提出了近150年，在欧洲云杉、红橡树等多个林木树种中得到了证实，但与顶端分生组织相比，人们对维管形成层干细胞分裂分化活动背后的分子调控机制的研究仍处在初期阶段，阻碍了现代分子育种技术在培育速生、优质林木新品种中的应用。
2023年1月9日，东北林业大学李伟研究组在Nature Plants发表了来自题为Cell-type-specific PtrWOX4a and PtrVCS2 form regulatory nexus with a histone modification system for stem cambium development in Populus trichocarpa的最新研究论文。该研究发现了由转录因子和组蛋白修饰协同调控杨树维管形成层发育的“tetramer-PtrWOX4a”途径，拓展了人们对木材形成过程中维管形成层发育分子调控机制的科学认知，为利用分子育种技术培育速生、优质林木新品种提供了新线索。
研究团队利用激光显微切割技术分离并收集了杨树维管形成层细胞及其衍生细胞。通过转录组分析，鉴定出95个杨树维管形成层特异表达的转录因子 （VCS TF） ，根据其在维管形成层中的表达丰度由高到低的顺序，依次命名为PtrVCS1~PtrVCS95。PtrVCS2编码一个杨树中功能未知的ZF-HD家族成员蛋白，且在维管形成层中的表达丰度仅次于核心基因PtrWOX4a （即PtrVCS1） 。通过遗传分析发现，在杨树中过量表达PtrVCS2导致转基因杨树的维管形成层增殖区细胞层数减少，茎粗度明显减小，而CRISPR/Cas9介导的敲除杨树PtrVCS2及其同源基因PtrVCS2-h的双突变体 （ptrvcs2 ptrvcs2-h） 则表现出相反的表型，维管形成层增殖区细胞层数和茎粗度均显著增加，表明PtrVCS2负调控维管形成层增殖和杨树径向生长。
研究团队整合分析过量表达PtrVCS2转基因植株的RNA-seq和PtrVCS2转录因子的ChIP-seq数据，鉴定出PtrVCS2结合并调控的下游靶基因，并利用mRNA原位杂交技术、杨树木质部原生质体瞬时表达系统结合定量分析进一步证明了PtrVCS2负调控PtrWOX4a在维管形成层中的表达。遗传分析结果显示，过量表达PtrWOX4a的转基因杨树与ptrvcs2 ptrvcs2-h突变体中形成层增殖区细胞层数增多的表型相似，共同敲除PtrWOX4a及其同源基因PtrWOX4b的杨树突变体 （ptrwox4a ptrwox4b） 与过量表达PtrVCS2杨树中形成层增殖区细胞层数减少的表型相似。研究团队利用Y2H筛选、BiFC体内验证、Pull-down以及凝胶电泳迁移实验，进一步证明了PtrVCS2与PtrWOX13a （即PtrVCS12） 相互作用形成PtrWOX13a–PtrVCS2蛋白二聚体，并通过PtrWOX13a结合到PtrWOX4a启动子的CAATCAC顺式作用元件，形成PtrVCS2–PtrWOX13a–PtrWOX4a调控途径。基于GR诱导的基因转录表达分析结果表明，PtrWOX13a对PtrWOX4a启动子的结合能够直接激活PtrWOX4a转录。进一步研究发现PtrVCS2和PtrWOX13a与组蛋白乙酰转移酶复合体PtrGCN5-1–PtrADA2b-3形成蛋白四聚体PtrWOX13a–PtrVCS2–PtrGCN5-1–PtrADA2b-3。利用PtrVCS2和PtrGCN5-1转基因杨树结合染色质免疫共沉淀技术，证明了该四聚体调控PtrWOX4a启动子上的组蛋白乙酰化修饰。蛋白质互作分析和HAT酶活性分析实验结果表明，PtrVCS2破坏蛋白四聚体成员间的互作关系，进而改变蛋白四聚体对于靶位点的组蛋白乙酰化修饰活性，从而调控靶基因PtrWOX4a的转录水平。综合分析研究结果发现，蛋白四聚体PtrWOX13a–PtrVCS2–PtrGCN5-1–PtrADA2b-3通过转录因子PtrWOX13a直接结合PtrWOX4a基因的启动子，招募组蛋白乙酰化酶复合体PtrGCN5-1–PtrADA2b-3，其中PtrVCS2蛋白丰度能够影响组蛋白乙酰化酶复合体的互作强度，动态调控PtrWOX4a基因的乙酰化水平，从而控制该基因的表达，以调控杨树维管形成层的发育 （图1） 。
综上所述，该研究发现了“tetramer-PtrWOX4a”系统协同调控木材形成过程中维管形成层发育的分子机制，为从表观遗传角度进行林木分子育种，提高木材产量和改良木材品质，提供了新的视角。
图1 PtrVCS2介导的组蛋白乙酰化酶复合体调控杨树维管形成层活性的作用模型
此外，Nature Plants同期刊发了题为Epigenetics rules cambial growth的评论文章，对该工作进行了介绍和点评。
东北林业大学在读博士研究生代秀芳为该论文的第一作者，李伟教授为该论文的通讯作者，姜立泉教授参与指导该项工作。该研究得到国家重点研发计划、中央高校和黑龙江省头雁行动计划等项目资助。
https://www.nature.com/articles/s41477-022-01315-7
https://www.nature.com/articles/s41477-022-01316-6
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