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Plant Physiol | DAP-seq助力揭示楊樹根系抗旱新機制

來源:藍景科信河北生物科技有限公司   2025年05月26日 11:46  

在全球氣候變暖背景下,干旱已成為威脅植物生長的重大挑戰。在植物中,根系是干旱脅迫信號的主要感知器,其發育直接影響抗旱能力。然而,在樹木中不定根(ARs)和側根(LRs)對非生物脅迫的協調反應所依據的理論仍不清晰。

近日,東北林業大學-楊靜莉研究團隊在Plant Physiology(IF=6.5)發表題為PuUBL5-mediated ZINC FINGER PROTEIN 1 stability is critical for root development under drought stress in Populus ussuriensis的研究論文,該研究借助DAP-seq技術揭示了楊樹通過“分子開關”PuZFP1協調側根抑制與不定根伸長的抗旱策略,為抗旱林木的遺傳改良提供了新的理論依據。

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技術路線

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研究結果

PuZFP1含有典型的C2H2鋅指結構域(氨基酸43-65)和一個C端高度保守的EAR抑制基序(DLSLRL),與擬南芥AtZP1高度同源(結構相似性>60%),定位在細胞核與細胞質。RT-qPCR和啟動子驅動的GUS染色結果顯示,干旱和ABA處理顯著誘導PuZFP1表達,并且在于根系分化區(DZ)和伸長區(EZ)特異性表達,與側根發生和不定根伸長區域重疊。酵母轉錄激活實驗和Gal4-GUS/LUC系統結果表明,PuZFP1是轉錄抑制因子,并且EAR基序是PuZFP1發揮轉錄抑制功能的必需結構。通過構建PuZFP1過表達(OE)和RNA干擾(RNAi)株系,發現PuZFP1負調控側根(LR)形成,正調控不定根(AR)伸長,在楊樹根系響應干旱脅迫中發揮關鍵調控作用。

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1. PuZFP1的生物信息學和表達模式分析。

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2. PuZFP1賦予楊樹抗旱能力。

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3. PuZFP1賦予楊樹抗旱能力。

進一步研究發現,PuZFP1的穩定性受泛素樣蛋白PuUBL5調控。酵母雙雜交(Y2H)、雙分子熒光互補(BiFC)和Pull-down實驗證實,PuZFP1與PuUBL5直接互作,且PuZFP1通過26S 蛋白酶體途徑降解。蛋白酶體抑制劑MG132處理實驗進一步表明,阻斷蛋白酶體途徑可顯著抑制PuZFP1降解,驗證了該降解機制的依賴性。

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4. PuZFP1PuUBL5相互作用,并發生PuUBL5介導的降解。

為確定PuZFP1的靶基因,研究團隊將DAP-seq和RNA-seq聯合分析,鑒定出PuZFP1的下游靶基因PuWRKY46PuEGR1。DAP-seq結果顯示,PuZFP1主要結合在轉錄起始位點(TSS)附近,在所有的結合峰中,啟動子區占比19%,基因間區占比65%。雙熒光素酶報告基因實驗表明,PuZFP1對這兩個基因的啟動子具有轉錄抑制作用,同時ABA處理抑制了PuZFP1與靶基因啟動子的結合。

結合EMSA實驗和靶基因功能研究發現PuZFP1通過結合PuWRKY46啟動子中的CAGTG元件抑制其轉錄,進而阻斷側根原基形成;同時,通過抑制PuEGR1(含TTTTGTTT結合基序)的表達,解除對不定根伸長區(EZ)細胞伸長的抑制。

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5. PuZFP1靶基因的鑒定和直接結合驗證。

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6. PuWRKY46楊樹抗旱能力。

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7. PuEGR1賦予楊樹抗旱能力。

結合激素信號分析結果,發現PuZFP1通過協調脫落酸(ABA)與生長素(IAA)信號通路,雙向調控根系發育:在根系分化區(DZ),PuZFP1抑制靶基因PuWRKY46的表達,導致該區ABA含量升高、IAA含量降低,ABA/IAA比例升高,從而抑制側根(LR)原基的形成與萌發;而在伸長區(EZ),PuZFP1抑制PuEGR1的表達,使該區ABA含量降低、IAA含量升高,ABA/IAA比例降低,進而促進不定根(AR)細胞的伸長。這種ABA與生長素的時空比例調控,是PuZFP1介導根系結構適應干旱脅迫的核心機制。

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8. PuZFP1表達與ABA/auxin途徑聯合調控根系發育。

綜上所述,本研究揭示了PuUBL5-PuZFP1模塊通過ABA /auxin信號調控根系發育的機制,為楊樹抗旱分子育種提供了理論依據。

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9. 楊樹PuZFP1-PuUBL5模塊響應干旱脅迫下的模型。

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