Plant Physiol | 东北林业大学杨静莉研究组揭示干旱胁迫下杨树根系发育调控新机制

干旱对全球植物的生长、发育和产量的限制越来越大。为应对干旱和其他非生物胁迫，植物会在分子和细胞水平上调整其生长和发育过程。在植物中，根系是干旱胁迫信号的主要感知器，根系发育受土壤水分变化的影响。侧根密度、根长和根分枝角度等根系特征与抗旱性呈正相关。此外，在不同的植物物种中，根系深而旺盛与产量较高有关。迄今为止，只有少数通过改变根系结构提高抗旱性的基因在树木中得到了鉴定和表征。然而，在树木中不定根（ARs）和侧根（LRs）对非生物胁迫的协调反应所依据的理论仍不清晰，这主要是由于树木根系的结构和分布十分复杂。

干旱是威胁全球植物生长的重大挑战，而根系作为植物的 “ 生命线 ” ，其发育直接影响抗旱能力。近期， 东北林业大学 杨静莉 研究组 在Plant Physiology上 发表 题为“PuUBL5-mediated ZINC FINGER PROTEIN 1 stability is critical for root development under drought stress in Populusussuriensis” 的研究论文 ， 揭示了杨树中 PuZFP1 蛋白在干旱胁迫下调控根系发育的分子机制，为培育抗旱林木提供了 新思路 。

一般来说， ABA 被认为是一种根系生长抑制剂，可在干旱胁迫下维持水分平衡。较高浓度的 ABA 会抑制 LR 的形成。同时，生长素对 LR 的形成和萌发至关重 要。 ABA 和生长素信号之间的协调是快速适应不利环境变化的必要条件，但人们对 ABA-auxin 协调与树木根系形成之间的关系知之甚少。在本研究中， GUS 染色显示 PuZFP1 在根 DZs （ 成熟 区）和 EZs （伸长区）中显著表达，而其调控的 PuWRKY46 和 PuEGR1 基因则分别在干旱胁迫下的 DZs 和 EZs 中表达。在 DZs 中，较高的 ABA/IAA 含量会抑制 LR 的萌发。 在 EZs 中，相对较低的 ABA/IAA 含量会促进 AR 细胞伸长。这些结果表明， PuWRKY46 和 PuEGR1 可调控与 ABA 和生长素信号通路相关的基因，从而改变 ABA/auxin 的比例 介 导 LR 和 AR 的发育。

根系结构是应对不利环境变化的生存关键。研究发现以 PuUBL5-PuZFP1 模块为中心的框架 介 导 ABA/auxin 的含量，并在 LR 的萌发和 AR 的伸长中发挥重要作用。作者提出了大青杨中 PuZFP1 功能的工作模型（图 1 ）。 PuUBL5 与 PuZFP1 相互作用 并泛素化 使其降解，从而 保持其靶基因 的转录活性。在干旱胁迫期间， PuUBL5 受到抑制，释放出 PuZFP1 ，从而负向调节下游信号，促进根系发育。通过 PuWRKY46 的调控， DZ 中较高的 ABA/auxin 含量会抑制 LR 的萌发。同时， EZ 中较低的 ABA/auxin 含量会通过 PuEGR1 的调控促进 AR 的伸 长。

图1：杨树PuZFP1-PuUBL5模块响应干旱胁迫的模型

综上所述， PuZFP1 通过抑制 PuWRKY46 和 PuEGR1 的表达，负向调节 LR 的形成，正向调节 AR 的伸长。这一过程涉及通过 PuWRKY46 和 PuEGR1 协调 ABA-auxin 的作用。研究根系 发育的复杂过程将有助于指导开发具有更强生根能力、非生物胁迫耐受性和种植能力的杨树，从而促进这一重要生物能源的环境和经济可持续性。

东北林业大学在读博士研究生 赵浩钦 和 付琰 芮 以及已毕业硕士研究生 吕婉秋 为共同第一作者。东北林业大学（林木遗传育种全国重点实验室） 杨静莉 教授为本文的通讯作者。 东北林业大学 黄海 娇 高级 实验 师（林木遗传育种 全 国重点实验室仪器 开放 共享平台）、 东北林业大学 李成浩 教授、 哈尔滨商 业大学 赵世成 博士对该研究给予大力帮助与支持。本研究得到东北林业大学林木遗传育种全国重点实验室创新项目和国家自然科学基金的资 助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf181