陕西
木材来源于树木茎干的次生生长，具有重要的经济价值。其中，木纤维作为木材主要的细胞类型，其独特的形态特征与次生细胞壁（Secondary Cell Walls, SCWs）的沉积模式密切相关。在木纤维细胞分化过程中，细胞膨胀与SCW增厚的时序协调受发育信号与环境因素的精细调控。生长素作为调控植物发育的关键内源激素信号，在树木茎干中主要聚集于维管形成层区域，其调控形成层细胞活性的分子机制已较为明晰。然而，生长素如何精准调控木纤维细胞的生长与次生细胞壁的沉积起始，仍是木材发育领域尚未解决的关键科学问题。
近日，西南大学生命科学学院罗克明/许长征教授团队在Nature Plants发表了题为The auxin-PLETHORA 5 module regulates wood fibre development in Populus tomentosa的研究论文。该研究揭示了生长素信号在维管形成层中的核心作用，阐明其如何协同调控木纤维细胞的生长与木质化过程。研究发现，生长素信号通过激活转录因子 PLETHORA 5 (PLT5) 的表达，以非细胞自主性方式调控木纤维细胞次生细胞壁沉积的起始。此外，该研究提出“生长素-PLT5-SND1”分子调控通路，为解析木材形成过程中细胞分化的时序调控机制提供了重要证据。
通过构建 WOX4a 启动子驱动 IAA9m 的毛白杨形成层特异性生长素信号抑制转基因株系，研究发现，形成层中生长素信号的削弱显著推迟了木纤维细胞次生细胞壁沉积的起始，并增加了木纤维细胞的长度，证实生长素在协调木纤维细胞膨胀与次生细胞壁沉积中的关键作用。进一步结合多组学分析和 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，研究团队鉴定出 PLT5a 及其同源蛋白 PLT5b 为形成层特异性、响应生长素信号的转录因子，并揭示其表达受生长素响应因子 ARF5 的直接调控。在 plt5a plt5b 双突变体中，次生木纤维细胞的 SCW 沉积显著提前，细胞长度大幅缩短；而 PLT5a 过表达株系则表现出木纤维细胞长度增加、SCW 沉积延迟的表型。值得注意的是，PLT5 主要影响木纤维细胞的发育，而对导管细胞无显著作用。结合细胞生长建模分析与生化实验证据，研究进一步发现 PLT5 能直接抑制次生细胞壁沉积关键基因 SND1 的表达，从而负调控木纤维细胞的 SCW 合成，实现细胞生长与木质化进程的动态平衡。
综上所述，该研究提出“生长素-PLT5-SND1”调控模型，揭示生长素通过 PLT5 精细调控木纤维发育的分子级联通路。这一发现不仅深化了对木材形成过程中细胞分化时序调控机制的理解，还为定向改良木材纤维品质（如木纤维长度、细胞壁厚度）提供了关键靶点，对速生优质林木新品种的分子育种具有重要的指导意义。
生长素-PLT5分子通路调控杨树木材纤维发育的分子机制示意图
西南大学生命科学学院许长征教授和罗克明教授为论文共同通讯作者。西南大学生命科学学院硕士研究生刘帅（已毕业，现为中国科学院分子植物卓越创新中心在读博士生）和付小康副教授为论文共同第一作者。西南大学生命科学学院硕士生王玥、杜雪莲（已毕业，现为德国波恩大学在读博士生）、罗莲佳（已毕业）、陈栋、博士生刘淳昭、胡建（已毕业）参与了本项工作。清华大学/北京林业大学邬荣领教授等参与了本研究数据分析工作。中科院分子植物卓越创新中心李来庚研究员为本研究提供了重要指导。东北林业大学姜立泉教授，李伟教授，北京林业大学陆海教授，西南大学张勇教授为本研究给予了大力支持和帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委资助及西部（重庆）科学城种质创制大科学中心的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-025-01931-z
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