Plant Cell | 华中农业大学水稻团队赵毓课题组揭示水稻根系发育调控新机制

责编 | 王一

冠根（不定根）是禾谷类作物根系的主要组成部分，阐明其形成机制有助于提高作物对水分、矿质离子的吸收和环境适应性，从而进一步提高作物的产量和品质。WOX11是华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室赵毓教授团队2009年鉴定到的调控水稻冠根发育的关键因子（Zhao et al., Plant Cell, 2009）。经过十多年的努力，该团队系统地解析了WOX11调控冠根发育的调控网络（Zhao et al., Plant Cell, 2015; Cheng et al., Plant Signal Behav, 2016; Jiang et al., J Exp Bot, 2017; Zhou et al., Plant Cell, 2017; Cheng et al., Nucleic Acids Res, 2018; Zhang et al., Plant Cell Physiol, 2020; Xu et al., J. Adv. Res., 2023; Xu et al., Plant Physiol, 2023; Geng et al., New Phytol., 2023），为进一步利用WOX11改良水稻根系，创建优质高产的水稻种质资源奠定了坚实的分子基础。

近日，该课题组在国际植物学领域著名期刊The Plant Cell上在线发表了题为Transcription factors WOX11 and LBD16 function with histone demethylase JMJ706 to control crown root development in rice的研究论文，进一步揭示了WOX11-JMJ706-LBD16模块调控水稻冠根发育的反馈机制。

该研究通过遗传学、生物化学和细胞生物学方法联合分析发现，植物特有的转录因子LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN (LBD)家族蛋白LBD16是水稻冠根发育调控的变阻器。在水稻冠根发育过程中WOX11能够招募组蛋白H3K9去甲基化酶JMJ706，去除其下游靶基因LBD16上的H3K9me2修饰，从而激活LBD16的表达。有意思的是，超量表达LBD16并不能改变水稻冠根发育的表型。进一步研究发现，当冠根原基中LBD16被激活表达后处于高丰度时，LBD16就会竞争掉JMJ706而与WOX11相互作用，使其基因座上的H3K9me2增加，导致WOX11对LBD16的激活作用被解除，LBD16蛋白相应地减少；随着冠根原基中LBD16的减少，此时JMJ706与 WOX11 相互作用就逐渐加强，再一次促进了WOX11对LBD16激活。在水稻冠根的生长过程中WOX11-JMJ706-LBD16形成了一个动态的反馈调节机制，让LBD16始终维持在适当的表达水平，以保证水稻冠根正常生长。综上，该研究揭示了水稻冠根发育调控的动态反馈机制，为水稻根系改良分子育种提供了新的靶点和思路。同时也为理解水稻冠根发育的调控机制提供了新的视角。

WOX11-JMJ706-LBD16模块调控水稻冠根发育的反馈机制

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室赵毓教授为该论文通讯作者，生命科学技术学院已毕业博士耿乐萍为第一作者。周道绣教授和练兴明教授对该研究提供了指导和帮助。张婷博士、博士研究生檀明芳和汪奕颉等也参与了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

据悉，赵毓教授团队一直从事水稻发育生物学和环境适应性的相关研究。先后鉴定了一系列调控水稻根和茎顶端分生组织活性维持的关键基因并深入解析了其细胞和遗传机制，获得了一系列原创性研究成果，对理解植物不定根发育、茎顶端分生组织维持和胚胎形成的分子机制有重要意义。该团队在Nature Communications、The Plant Cell、EMBO Journal、Nucleic Acids Research等杂志发表研究论文40余篇，论文引近5000次。

与WOX11相关的研究论文：

1.Zhao Y, Hu Y, Dai M, Huang L, Zhou D-X. The WUSCHEL-related homeobox gene WOX11 is required to activate shoot-borne crown root development in rice. The Plant Cell, 2009, 21(3): 736-748

2.Zhao Y, Cheng S, Song Y, Huang Y, Zhou S, Liu X, Zhou D-X. The Interaction between Rice ERF3 and WOX11 Promotes Crown Root Development by Regulating Gene Expression Involved in Cytokinin Signaling. The Plant Cell, 2015, 27(9): 2469-2483

3.Zhou S, Jiang W, Long F, Cheng S, Yang W, Zhao Y, Zhou D-X. Rice Homeodomain Protein WOX11 Recruits a Histone Acetyltransferase Complex to Establish Programs of Cell Proliferation of Crown Root Meristem. The Plant Cell, 2017, 29(5): 1088-1104

4.Cheng S, Tan F, Lu Y, Liu X, Li T, Yuan W, Zhao Y, Zhou D-X. WOX11 recruits a histone H3K27me3 demethylase to promote gene expression during shoot development in rice. Nucleic Acids Res, 2018, 46(5):2356-2369.

5.Geng L, Li Q, Jiao L, Xiang Y, Deng Q, Zhou D-X, and Zhao Y. WOX11 and CRL1 act synergistically to promote crown root development by maintaining cytokinin homeostasis in rice. New Phytol, 2023, 237(1):204-216

6.Xu Q, Wang Y, Chen Z, Yue Y, Huang H, Wu B, Liu Y, Zhou D-X, Zhao Y. ROS-stimulated protein lysine acetylation is required for crown root development in rice. J Adv Res, 2023, 48:33-46

7.Xu Q, Wang Y, Yue Y, Chen Z, Zhou D-X, Zhao Y. Transcription factor WOX11 regulates protein translation via ribosome protein acetylation in rice roots. Plant Physiol. 2023, 191(4):2224-2228.

8.Jiang W, Zhou S, Zhang Q, Song H, Zhou D-X, Zhao Y. Transcriptional regulatory network of WOX11 is involved in the control of crown root development, cytokinin signals, and redox in rice. J Exp Bot, 2017, 68(11): 2787-2798

9.Zhang T, Xiang Y, Geng L, Jiang W, Cheng S, Zhao Y. A non-canonical MITE in the WOX11 promoter is associated with robust crown root development in rice. Plant Cell Physiol, 2022, 63(8):1052-1062

10.Cheng S, Zhou D-X, Zhao Y. WUSCHEL-related homeobox gene WOX11 increases rice drought resistance by controlling root hair formation and root system development. Plant Signal Behav, 2016, 11(2): e1130198

本文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38190205/