Plant Cell | 中国农业大学王慧等解析WOX家族转录因子通过拮抗作用共同调控叶片发育的分子机制

责编 | 王一

近日，中国农业大学王慧副教授和美国俄克拉荷马州立大学Tadege教授课题组在The Plant Cell在线发表了题为WOX family transcriptional regulators modulate cytokinin homeostasis during leaf blade development in Medicago truncatula and Nicotiana sylvestris的研究论文，深入解析了蒺藜苜蓿和烟草中两个不同WOX转录因子通过拮抗作用共同调控细胞分裂素氧化酶基因CKX3的表达调控叶片发育的分子机制。

WOX家族作为植物体内特有的一类转录因子，在维持植物分生组织、花序和侧生器官的发育等方面发挥着重要作用。蒺藜苜蓿STF和烟草 LAM1是拟南芥WOX1的同源基因，stf/lam1突变体出现叶片窄化的表型, 此外，分别在水稻、二穗短柄草和能源草柳枝稷中异位过表达STF的材料均表现出叶片变宽、茎杆变粗的性状（Tadege et al., 2011; Wang et al., 2017）。stf/lam1突变体叶片窄化表型均可被WOX家族现代分支成员（WUS，WOX1-WOX6）不同程度地恢复，但是中间分支成员WOX9却加剧了stf/lam1突变体叶片的表型，研究发现STF直接抑制WOX9的表达（Lin et al., 2013; Wolabu et al., 2021）。

为进一步阐明STF和WOX9调控叶片发育的分子机理，作者利用糖皮质激素（GR）诱导系统通过转录组测序筛选鉴定到细胞分裂素氧化酶CKX3是STF和WOX9的共同调控的直接下游基因，转录抑制子STF抑制CKX3的表达而转录激活子WOX9促进CKX3的表达。EMSA和ChIP结果显示STF和WOX9可识别并结合到CKX3启动子的相同位点（图1）。此外，作者还发现STF和WOX9存在蛋白水平上的相互作用。

图1. WOX家族转录因子LAM1和WOX9识别并结合到NsCKX3的启动子上

为证明STF/LAM1、WOX9和CKX3之间的遗传关系，作者分别构建并获得了蒺藜苜蓿stf mtckx3a mtckx3b三突变体，并在烟草lam1突变体和WOX9过表达材料中分别抑制和提高NsCKX3的表达，通过表型分析进一步证明了CKX3是STF/LAM1和WOX9调控的下游基因 （图2和图3） 。同时，作者通过检测lam1突变体、WOX9过表达和NsCKX3过表达材料体内细胞分裂素的含量以及叶片表皮的细胞数目等，进一步证明了WOX家族转录因子STF和WOX9直接调控植物体内细胞分裂素氧化酶基因CKX3的表达，进而通过影响植物体内细胞分裂素的含量和细胞分裂调控叶片的发育。

图2. 抑制细胞分裂素氧化酶基因CKX3的表达部分恢复了stf/lam1突变体表型

图3. 过表达NsCKX3加剧了烟草lam1突变体和WOX9过表达材料的表型

该研究由中国农业大学草业科学与技术学院王慧副教授和美国俄克拉荷马州立大学Tadege教授课题组共同完成。王慧副教授为论文的第一作者和通讯作者，Tadege教授为共通讯作者。中国农业大学草业学院张蕴薇教授和中国科学院西双版纳热带植物园陈江华研究员参与了该项研究。中国农业科学院林浩研究员和牛丽芳研究员对该论文提供了指导和部分突变体材料。该研究得到国家自然科学基金的资助。

参考文献：

Lin, H., Niu, L., McHale, N.A., Ohme-Takagi, M., Mysore, K.S., and Tadege, M. (2013). Evolutionarily conserved repressive activity of WOX proteins mediates leaf blade outgrowth and floral organ development in plants. PNAS 110, 366-371.

Tadege, M., Lin, H., Bedair, M., Berbel, A., Wen, J., Rojas, C.M., Niu, L., Tang, Y., Sumner, L., Ratet, P., McHale, N.A., Madueno, F., and Mysore, K.S. (2011). STENOFOLIA regulates blade outgrowth and leaf vascular patterning in Medicago truncatula and Nicotiana sylvestris. Plant Cell 23, 2125-2142.

Wang, H., Niu, L., Fu, C., Meng, Y., Sang, D., Yin, P., Wu, J., Tang, Y., Lu, T., Wang, Z.Y., Tadege, M., and Lin, H. (2017). Overexpression of the WOX gene STENOFOLIA improves biomass yield and sugar release in transgenic grasses and display altered cytokinin homeostasis. PLoS Genet 13, e1006649.

Wolabu, T.W., Wang, H., Tadesse, D., Zhang, F., Behzadirad, M., Tvorogova, V.E., Abdelmageed, H., Liu, Y., Chen, N., Chen, J., Allen, R.D., and Tadege, M. (2021). WOX9 functions antagonistic to STF and LAM1 to regulate leaf blade expansion in Medicago truncatula and Nicotiana sylvestris. New Phytol 229, 1582-1597.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac188