浙江
植物根系是否发达，直接关系到它能不能喝饱水、吃够肥。侧根作为根系中的“生力军”，其形成并非随心所欲，而是受到一套精密程序的调控。过去科学家已知，染色质结构的动态变化会影响侧根发育，但其中具体的分子“开关”一直模糊不清。
近日，华中农业大学生命科学技术学院与华南农业大学合作团队在《自然-植物》（Nature Plants）发表题为《TOP1α介导的CYP82C4 G-四链体DNA稳定化抑制拟南芥侧根原基起始》的研究论文。论文通讯作者为刘思思教授和陈春丽教授。这项研究揭示了植物如何利用一个不寻常的DNA“结”——G-四链体——来精确控制侧根的出生时机。
研究团队首先通过遗传操作发现，如果把拟南芥中的TOP1α基因敲掉，幼苗长出的侧根原基数量明显增多；而当恢复该基因功能后，侧根密度又恢复正常。这意味着TOP1α不是促进者，恰恰相反，它是一个侧根起始的“刹车”。顺着这条线索，研究者利用转录组测序和CUT&Tag技术，在TOP1α缺失的植株中寻找哪些基因被异常激活。结果锁定了一个名为CYP82C4的基因——它在突变体中的表达量飙升了十几倍。后续实验进一步确认，CYP82C4本身是侧根起始的促进因子，它的缺失会使侧根减少，而过表达则使侧根增多。因此，一个清晰的链条浮现：TOP1α通过抑制CYP82C4来踩下侧根形成的刹车。
然而，TOP1α究竟如何抑制CYP82C4？答案藏在一段不起眼的DNA序列里。研究者在CYP82C4基因的模板链上发现了一段由19个核苷酸组成的、富含鸟嘌呤（G）的片段，命名为T19。体外实验表明，这段DNA不会老老实实地保持双螺旋形态，而是折叠成一个四链“扭结”——即G-四链体（G4）结构。更关键的是，TOP1α蛋白能紧紧抓住这个G4结构，结合亲和力高达纳摩尔级别，并使其更加稳定。研究者用两种手段破坏这个G4结构：一是引入同义突变让T19无法形成G4，二是使用小分子药物TMPyP4去“拆解”它。结果惊人地一致——G4结构一旦失稳或消失，CYP82C4的转录便大幅上升，侧根原基也迅速增多。这说明，TOP1α正是通过稳住这个G4“路障”，阻断了基因的顺畅转录，从而控制侧根数量。
为了验证这一机制在活体内的真实性，团队构建了两种转基因拟南芥：一种携带天然T19序列（能形成G4），另一种携带无法形成G4的同义突变序列（但编码的蛋白质完全不变）。在正常生长条件下，后者长出的侧根原基显著多于前者。此外，ATAC-seq分析显示，G4结构的存在还与局部染色质开放性相关。有趣的是，研究者还发现TOP1α会导致CYP82C4的转录本在跨越G4位点前提前中断，进一步证实G4如同一道物理屏障，阻碍了RNA聚合酶的顺利通过。
这项研究首次在植物中揭示，一个染色质重塑蛋白TOP1α可以通过稳定DNA模板链上的G-四链体结构，来精确抑制侧根原基的起始。它不仅为理解植物根系发育增添了一块全新拼图，也为未来通过基因编辑或小分子手段定向改良作物根系构型、提高养分利用效率提供了潜在靶点。
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