陕西
气候变化加剧了极端干旱事件的发生，导致全球范围内树木大面积死亡。树木由于其固着性，经常会受到逆境环境的影响，因而需要重塑茎干木质部结构维持水分运输功能。在维管结构适应过程中，次生细胞壁的核心成分-木质素（Lignin）发挥着关键作用，不仅赋予了导管刚性与疏水性，其沉积动态变化也被认为是树木应对干旱胁迫的重要适应策略。然而，木质素单体组成，尤其是紫丁香基与愈创木基的比例，即S/G比例响应干旱胁迫的遗传基础及其等位调控网络，目前仍缺乏系统研究。
近日，北京林业大学生物学院张德强团队在国际期刊Science Advances在线发表了题为Natural variation in PtoCPK3 governs drought tolerance by orchestrating xylem remodeling and lignin metabolism in Populus的研究论文。该研究利用系统遗传学策略，鉴定出调控木质素单体组成的重要蛋白激酶PtoCPK3，并揭示了该基因通过调控木质素代谢参与干旱胁迫响应的等位作用机制。研究结果为深入理解干旱胁迫的转录后调控机制提供了新认识，也为杨树抗逆分子育种和优异种质培育提供了重要候选基因与理论依据，具有重要的科学意义与应用价值。
团队研究成员以毛白杨优异种质 ′1316′ 为研究材料，开展干旱胁迫下木质部组织的转录组、蛋白组、磷酸化组和代谢组多组学联合分析，并结合不同生态亚群间（东北、西北与南部）木质素代谢物Qst-Fst策略，以及302株自然群体中遗传变异位点与环境因子、关键代谢物的关联分析（GEA-mGWAS），精准定位到响应降水特征和干旱指数的关键激酶PtoCPK3。随后，构建了PtoCPK3基因过表达和沉默株系，并对4月龄转基因杨树开展为期15天的干旱胁迫实验。结果显示，PtoCPK3过表达株系在干旱胁迫下表现出更强的抗旱能力，茎组织水分运输功能保持相对稳定；同时，其木质部导管密度增加、细胞壁增厚；此外，阿魏酸和松柏醇等次生代谢物相对含量显著增加，伴随着木质素单体S/G比例的显著降低。相反，ptocpk3沉默株系则表现出相反趋势。上述结果表明，PtoCPK3可通过调控木质部结构和木质素单体组成比例，增强杨树对干旱胁迫的适应能力（图1）。
图1 蛋白激酶PtoCPK3通过调控木质部结构和木质素代谢途径响应干旱胁迫
为系统揭示PtoCPK3调控木质素单体组成的分子机制，研究团队利用PtoCPK3-OE株系的磷酸化蛋白组数据，结合酵母双杂交筛库技术，鉴定到其底物蛋白PtoERF72。进一步研究表明，PtoCPK3依赖Ca2+信号磷酸化PtoERF72的Ser96位点，从而增强PtoERF72对PtoWOX13b的转录激活作用；同时，PtoERF72可直接抑制糖基转移酶基因PtoUGT72AZ2表达，降低其糖基化阿魏酸和松柏醇的催化活性，促进酚类前体向木质素聚合过程转移。同时，PtoCPK3在毛白杨自然群体中存在一种天然的截断形式（PtoCPK3DD），缺乏激酶活性和互作结构域，导致其不能磷酸化PtoERF72，进而导致干旱敏感性增强。此外，PtoCPK3与PtoERF72的自然变异共同影响了毛白杨自然群体的地理分化格局，其分布于较为干旱的东北和西北气候区的PtoCPK3II_PtoERF72CC基因型组合个体，通过提高磷酸化效率赋予了更强的抗旱性（图2）。总体而言，该研究揭示了毛白杨响应干旱胁迫的适应性遗传基础，为林木遗传改良提供了关键靶点，对提升森林抗逆能力、保障生态安全具有重要意义。
图2 PtoCPK3介导的磷酸化级联模块对毛白杨干旱适应性的调控机制
北京林业大学林木分子育种团队张德强教授为本文通讯作者，团队博士后王丹、博士研究生蒋永森、以及副教授权明洋为论文共同第一作者。北京林业大学杜庆章教授和肖亮副教授参与了该研究工作。瑞典农业大学Pär K Ingvarsson教授，澳大利亚CSIRO柳青教授和加拿大UBC的YousryA. El-Kassaby教授对该项工作给予了指导。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、111引智计划以及中国博士后科学基金等项目资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee2172
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