华中农业大学水稻团队赵毓课题组揭示uORF-HsfA1a-WOX11模块调控水稻冠根发育新机制

冠根作为禾本科作物根系的关键构成部分，其形态建成直接影响植株养分吸收效率、籽粒产量及环境适应性。转录因子WOX11是冠根形成过程中的核心调节因子，它能够精准调控冠根原基的起始、细胞分裂及分生组织活性，然而，目前关于WOX11的上游调控网络仍知之甚少。

近日，华中农业大学赵毓教授课题组在植物学知名期刊New Phytologist在线发表了题为The uORF-HsfA1a-WOX11 module controls crown root development in rice的研究论文。该研究首次揭示了热休克蛋白HsfA1a 5’非翻译区（5’UTR）中上游开放阅读框（uORF）通过在翻译水平对

WOX11

研究团队综合运用酵母单杂交、凝胶阻滞实验及染色质免疫共沉淀等多种实验技术，证实热休克转录因子HsfA1a能够直接结合到WOX11启动子区的热休克元件（HSE）上，从而激活WOX11的转录表达。遗传学实验结果显示，在HsfA1a过表达株系中，冠根数目显著增加了40%；而在HsfA1a敲除株系中，冠根发育则受到明显抑制，这些结果进一步验证了HsfA1a-WOX11信号轴的调控冠根发育中的生物学功能。

基于5’UTR序列的深入分析，研究团队预测并鉴定出HsfA1a基因5’UTR中一段长度为24 bp的保守uORF。通过核糖体图谱技术（Ribosome profiling）发现，该uORF可通过核糖体停滞（ribosome stalling）机制抑制HsfA1a主要开放阅读框（mORF）的翻译效率，进而降低HsfA1a蛋白的表达水平。进一步的实验表明，在uORF突变体中，HsfA1a蛋白的积累量显著升高，这导致WOX11的表达上调及冠根数目增加，揭示了uORF作为“翻译抑制开关”对冠根发育的精细调控作用（图1）。

研究团队发现，在高温胁迫条件下，原本对 HsfA1a 翻译产生抑制作用的 uORF 表现出了与预期不同的调控特性。通常认知中可能认为高温胁迫会解除 uORF 的抑制，进而增强 HsfA1a 蛋白丰度，但实际研究发现，高温胁迫显著增强HsfA1a uORF的翻译抑制效率，导致HsfA1a蛋白丰度降低。这种调控机制使得植物在高温逆境下抑制冠根发育，从而减少能量消耗，以更好地应对不利环境。而在正常条件下，uORF活性受到未知因素（如RNA结合蛋白）的调控，能够维持HsfA1a-WOX11信号的适度激活，确保植物根系在适宜环境中正常发育。这一发现具有重要的生物学意义，表明uORF元件可能作为“环境响应缓冲器”的角色，能够协调植物根系发育与逆境适应过程中的能量分配，使植物在不同环境条件下都能做出最优的生理响应。

综上所述，该研究揭示了真核生物5’UTR uORF通过翻译调控参与根系发育的分子机制，进一步完善了以WOX11为核心的冠根发育调控网络。这一成果为植物器官发生研究提供了全新的研究范式，拓宽了该领域的研究思路。同时，uORF元件的发现为水稻根系遗传改良提供了精准的编辑靶点，借助CRISPR-dCas9技术靶向调控uORF活性，可实现作物理想根系构型的定向优化，为“绿色超级稻”育种提供坚实的理论支撑，推动水稻育种向更高效、更适应环境变化的方向发展。

图1 uORF-HsfA1a-WOX11模块调控水稻冠根发育模式图

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张婷博士和博士研究生向依萌为论文的共同第一作者。周道绣教授、袁猛教授及武汉大学胥国勇教授对该研究提供了重要的指导和帮助。博士研究生叶淼淼也参与了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金、农业产业体系专项经费等的资助。

赵毓教授课题组长期聚焦植物根系发育调控机制研究，依托作物遗传改良全国重点实验室及湖北洪山实验室，建立了涵盖转录因子调控、表观遗传修饰等多哥关键层次的调控网络研究体系，为深入解析植物器官发生机制提供了重要的理论支撑，同时也为设计精准、高效的植物育种策略奠定了坚实的科学基础。课题组在相关领域发表了多篇具有影响力的研究论文：

1. Cheng S, Zhou D-X, Zhao Y. WUSCHEL-related homeobox geneWOX11increases rice drought resistance by controlling root hair formation and root system development. Plant Signaling & Behavior, 2015, 11

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

3. Geng L, Tan M, Deng Q, Wang Y, Zhang T, Hu X, Ye M, Lian X, Zhou D-X, Zhao Y. Transcription factors WOX11 and LBD16 function with histone demethylase JMJ706 to control crown root development in rice. The Plant Cell, 2024, 36:1777-1790

4. Ma N, Li N, Yu Z, Chen C, Zhou DX, Zhao Y. The F-box protein SHORT PRIMARY ROOT modulates primary root meristem activity by targeting SEUSS-LIKE protein for degradation in rice. J Integr Plant Biol, 2023, 65:1937-1949

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

6. Xu Q, Wang Y, Yue Y, Chen Z, Zhou DX, Zhao Y. Transcription factor WOX11 regulates protein translation via ribosome protein acetylation in rice roots. Plant Physiol, 2023, 191:2224-2228

7. 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, 63:1052-1062

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

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

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

论文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.70214