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。木材的形成是一个复杂的发育过程，是树木维管形成层细胞分裂分化产生的次生木质部不断沉积、累加的结果。杨树的次生木质部主要包括纤维细胞和导管细胞等，这些木材细胞类型、比例和结构共同决定了木材的品质和特性。木材形成由转录调节网络控制，涉及TF-DNA互作和TF-TF互作共同决定的稳态调控。目前，人们对于木材形成转录调控的TF-DNA互作了解比较深入。然而，对于TF-TF互作在木材形成中的功能及作用机制仍知之甚少。
2022年2月12日，来自东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室的研究团队在New Phytologist在线发表了题为Dimerization of PtrMYB074 and PtrWRKY19 Mediates Transcriptional Activation of PtrbHLH186 for Secondary Xylem Development in Populus trichocarpa的研究论文。该研究发现了调控杨树次生木质部发育的“PtrMYB074-PtrWRKY19-PtrbHLH186”分子模块，揭示了木材形成过程中转录因子 （TF） -DNA和TF-TF相互作用的转录调控新机制，拓展了人们对木材形成的分子调控机制的科学认知，为利用分子育种技术进行林木材性遗传改良提供了新线索。
该研究通过分析杨树不同组织的转录组数据，鉴定出221个木质部高丰度表达的转录因子，并逐一克隆出这些基因。该团队利用酵母双杂交技术，分析它们与木材形成转录调节网络中核心因子PtrMYB074的互作关系，发现54个转录因子与PtrMYB074相互作用。在杨树木质部原生质体中，双分子荧光互补实验进一步证明它们能够在杨树体内互作。
在此基础上，该团队对54个互作蛋白中在木质部表达量高且表达模式特异的转录因子PtrWRKY19，与PtrMYB074如何相互作用协同调控木材形成的分子机制进行了深入研究。首先，通过染色质免疫共沉淀结合高通量测序分析，发现PtrMYB074与PtrWRKY19共同调控木材形成相关的靶基因，其中PtrbHLH186是这些靶基因中在木质部高丰度表达的转录因子基因。其次，利用杨树木质部原生质体瞬时表达系统和CRISPR/Cas9介导的杨树突变体结合染色质免疫共沉淀及凝胶电泳迁移实验分析，证明PtrMYB074与PtrWRKY19相互作用形成异源二聚体，通过PtrWRKY19与PtrbHLH186基因启动子上W-box的结合，将PtrMYB074招募到PtrbHLH186启动子上增强此基因表达水平。进一步的遗传分析，发现在杨树中过量表达PtrbHLH186基因，导致转基因植株生长延缓，木质部中导管细胞的孔径减小而数量增多，木质化程度提高，总木质素及G型木质素单体含量增加，多糖含量降低，并且转基因植株的耐旱性显著增强。
综合分析以上结果，表明“PtrMYB074-PtrWRKY19-PtrbHLH186”分子模块通过TF-TF互作和TF-DNA互作协同调控杨树次生木质部发育，改变导管细胞的结构和数量以及木材组分，使杨树次生生长适应干旱环境。
图1过量表达PtrbHLH186基因改变杨树次生木质部导管细胞的结构和数量
东北林业大学在读博士研究生刘慧子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了该项工作。该研究得到国家重点研发计划和黑龙江省头雁行动计划等项目资助。
论文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18028
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