陕西
硝酸盐既是植物重要的氮素养分形态，也是调控植物生长发育的信号分子。在林木中，硝酸盐经木质部蒸腾流从根系向地上部长距离运输，而木材（次生木质部）的形成过程本身也对氮素供应高度敏感。然而，发育中的木质组织如何原位感知硝酸盐信号，并将其转化为细胞生长的发育输出，其分子调控机制尚不清楚。
近日，瑞典于默奥植物科学中心（Umeå Plant Science Centre）Hannele Tuominen团队在 The Plant Cell 在线发表题为 “Nitrate transiently rewires transcription in developing xylem of Populus wood to promote cell expansion via CRF4” 的研究论文。该研究通过向杂交杨树（Populus tremula × P. tremuloides）木质部汁液直接注射硝酸盐，绕开根部—地上部系统信号，结合时间序列转录组和单细胞转录组，系统揭示了发育木质部对硝酸盐的快速、瞬时、细胞类型特异性响应，并鉴定出CRF4是连接硝酸盐感知与木质部细胞扩张的关键调控因子。
为解析局部硝酸盐信号，研究人员将 5 mM KNO₃ 或 KCl 对照直接注入氮饥饿杨树茎基部木质部汁液，并在0–48 h采集发育木质部。酸性品红示踪显示，注射后2 h溶液即可到达距注射点60 cm处。转录组分析发现，硝酸盐响应在2–4 h达到峰值，2、4、8、12 h 分别鉴定到 142、372、98 和 2 个差异表达基因，此后无显著变化；而连续 72 h 供应硝酸盐仅检测到 4 个差异表达基因。这表明发育木质部主要响应硝酸盐的瞬时变化，而非持续供应。GO 富集分析显示，氮转运、氮循环代谢等过程被显著激活，NRT1.1/NPF6.3、NLP7 等同源基因差异表达。2 h响应主要富集于木质部扩张期基因，4 h则抑制次生细胞壁形成相关基因。表型上，硝酸盐处理48 h显著增加了发育木质部细胞尺寸。
为在细胞水平解析硝酸盐响应，研究团队在硝酸盐处理2 h后进行单细胞RNA测序，获得约 2 万个细胞、21 个聚类。所有木质部细胞类型均能感知硝酸盐，但响应强度差异明显，射线细胞以及早期纤维和导管细胞响应最强。硝酸盐在早期纤维/导管中诱导多个细胞壁修饰基因，包括 PME、PAE、XTH、CESA 和 EXP 家族成员，同时抑制纤维和导管中的木质素生物合成基因。进一步证实，硝酸盐处理增加早期扩张木质部细胞壁中甲酯化果胶水平，并延迟次生细胞壁木质化起始。这些结果说明，硝酸盐通过促进初生细胞壁合成与修饰、抑制次生壁木质化，精细调控木质部细胞扩张。
为寻找关键调控因子，研究人员从单细胞数据中筛选硝酸盐上调、在扩张木质部优先表达、并位于纤维/导管发育轨迹的转录因子，最终锁定 CRF4（CYTOKININ RESPONSE FACTOR 4，Potra2n15c29002，又名 PtERF85）。CRF4 在纤维前体、纤维、导管前体和射线细胞中显著上调，并与 NRT1.1/NPF6.3、LRL1 和 ERF4 共表达。功能实验表明，过表达 CRF4 可增加纤维直径，并呈现增加导管直径的趋势，模拟硝酸盐促进细胞扩张的效应；而同时敲除 CRF4 及其旁系同源基因 CRF3 后，硝酸盐诱导的木质部细胞扩张显著减弱。这些结果确立了 CRF4/CRF3 在硝酸盐诱导木质部细胞扩张中的关键作用。
综上所述，该研究提出了一个发育木质部局部硝酸盐信号模块：硝酸盐在木质部运输途中被发育木质部细胞感知，快速、瞬时重编程转录网络，通过 CRF4/CRF3 等调控因子促进细胞扩张，同时延缓木质化。该发现不仅加深了对木本植物氮信号与木材形成关系的理解，也为通过分子育种改良树木氮利用效率和木材性状提供了新靶点。未来结合空间转录组、硝酸盐生物传感器和细胞类型特异性扰动，有望进一步揭示硝酸盐信号在三维茎干组织中的协调机制。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koag281
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