Plant Cell | 周功克團隊揭示蛋白酶體途徑調控楊樹形成層活性的新機制

責編 | 奕樊

木材形成過程中，木質部細胞來源於維管形成層幹細胞的分裂和分化。因此，維管形成層細胞的發生與活力保持至關重要，是決定木材產量和品質的關鍵，而形成層活性的維持受多種因素調控，激素、短程肽信號及多種轉錄因子都可以在轉錄水平上影響形成層活性。WOX4作爲形成層活性調控的樞紐，能夠響應生長素在內的多種激素以及小肽信號，進而參與形成層活性的維持。到目前爲止，有關維管形成層細胞活性調控的研究大部分集中在轉錄水平，而轉錄後水平的調控途徑知之甚少。

6月16日，青島農業大學周功克教授課題組The Plant Cell雜誌在線發表了題爲“Ubiquitinated DA1 negatively regulates vascular cambium activity through modulating the stability of WOX4 in Populus”的研究論文。該研究從轉錄後水平鑑定到一個蛋白複合體PagDA1-PagWOX4，揭示了蛋白酶體途徑調控楊樹形成層活性的新機制，爲轉錄後途徑參與調控木材形成的研究開闢新的思路。

周功克課題組在前期研究中鑑定到一個楊樹蛋白模塊PagC3H17-MYB199雙重調控木質部發育（New Phytologist, 2020）。對上述轉基因植株的RNA-Seq分析篩選到一個表達顯著差異的PagDA1基因，進一步分析表明PagDA1可以負調控形成層活性。

通過酵母雙雜交篩庫篩選到一個關鍵的WOX4蛋白，組織表達及蛋白互作實驗表明PagDA1與PagWOX4蛋白在形成層區域互作，而遺傳分析顯示PagWOX4在PagDA1的下游發揮重要功能。通過製備WOX4特異性抗體進行無細胞蛋白質降解試驗，發現PagWOX4蛋白穩定性受泛素蛋白酶體途徑影響，並且PagDA1過表達植株的蛋白提取液能加速PagWOX4蛋白的降解，表明PagDA1可以影響PagWOX4的穩定性。

進一步從酵母雙雜篩選結果中鑑定到一個蛋白PagDA2，它能夠與PagDA1互作，並可以在體外體內泛素化PagDA1。結合PagDA1轉基因植株中PagWOX4蛋白的積累與PagDA1的泛素化程度，表明PagDA1對PagWOX4蛋白穩定性的調控部分依賴於PagDA2對其進行的泛素化修飾（圖1）。

綜上所述，該研究揭示了一條在轉錄後水平上調控楊樹形成層發育的新途徑，也爲未來利用基因工程手段定向培育林木提供了新的靶標。

圖1 楊樹DA1負調控形成層活性的分子機制

該研究由中科院青島能源所、青島農業大學、中國林業科學研究院、浙江農林大學和美國北卡州立大學等多家單位協作完成。中科院島生物能源與過程研究所唐賢豐副研究員爲論文第一作者，青島農業大學周功克教授與中國林科院李全梓研究員爲共同通訊作者。青島農業大學柴國華教授及孔英珍教授，青島生物能源與過程研究所李勝軍研究員，浙江農林大學盧孟柱教授和美國北卡州立大學Ronald Sederoff院士參與了相關研究。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省草學一流學科等項目資助。

值得一提的是，周功克課題組主要圍繞植物細胞壁形成機制開展研究，取得多項重要研究進展，揭示了DF1-GL2分子模塊協同調節RGI生物合成機制（Plant Cell，2022，同期對此觀點發表了專題評論），闡明瞭ERF4–MYB52轉錄複合物精細調控HG去甲基酯化機制（Plant Cell, 2021），發現了油菜素內酯精確調控植物細胞伸長的新機制（Plant Physiology, 2022），解析了HDG2直接調控纖維素合酶CESA5基因表達的分子機制（Plant Physiology, 2021，同期對此觀點發表了專題評論），闡明瞭BLH2/4正調節果膠去甲基酯化機制（Plant Physiology, 2020），分析了油菜素內酯調控楊樹形成層和木材發育機制（Horticulture Research，2022），揭示了楊樹PagC3H17-PagMYB199模塊雙重調控木質部形成機制（New Phytologist, 2020）以及參與揭示了樹蕨進化及樹幹發育的分子機制（Nature Plants，2022），這些研究工作加深人們認識植物細胞壁的合成與調控機制，爲推動林木和作物分子設計育種奠定了基礎。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac178