扬州大学和德国波恩大学合作发现玉米侧根伸长重要转录因子

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来源：

Science Advances

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来源地址：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1113

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-04-11

摘要：

2025年4月11号，扬州大学徐辰武，李鹏程和德国波恩大学于鹏共同通讯在Science Advances在线发表题为“Natural variation in a cortex/epidermis-specific transcription factor bZIP89 determines lateral root development and drought resilience in maize”的研究论文。该研究通过整合全转录组关联研究和单细胞RNA测序数据，作者鉴定出一个碱性亮氨酸拉链（bZIP）转录因子ZmbZIP89，它是侧根伸长的重要调控因子，并描绘了其在皮层/表皮细胞类型中的空间表达模式。玉米（Zea mays L.）是一种具有高度复杂根系结构的谷物作物。此外，其养分吸收和抗逆性在很大程度上取决于侧根的形成和空间分布。从自然生境到农业系统，驯化和当地适应重塑了根系的发育和功能。迄今为止，多项研究提供了正向和反向遗传学证据，证明了根系结构和功能的分子基础，这些部分受到环境因子特别是非生物胁迫的调控。然而，在谷物中，关于单子叶植物如何配置细胞模式和分化，以及发达的根系结构在多大程度上适应胁迫的问题仍相对未知。这些遗传和分子信息对于理解根系适应不断变化环境的潜在价值，以及随后开发对未来气候挑战具有抗逆性的作物品种至关重要。玉米具有复杂的根系，包括胚原基根、胚原基根、胚后茎生根以及侧根。纵向来看，主根可分为三个发育区（即分生区、伸长区和分化区）。所有玉米根类型共享一个共同的解剖学组织，包括表皮、皮层、内皮层和中柱，其中含有中柱鞘、韧皮部和木质部。主要的细胞类型，包括中柱鞘细胞和内皮层细胞文件，参与单个侧根的起始和伸长，最终塑造根系结构和功能。早期中柱鞘细胞的RNA测序分析表明，植物激素和特定转录因子（TFs）决定了玉米侧根的形成和功能。最近，这些基因的功能特征已通过反向遗传学方法进行了描述。然而，与模式植物拟南芥不同，谷物作物需要其引发的中柱鞘细胞和分化的侧根原基穿透数层皮层细胞以产生成熟的侧根。如果使用经典的遗传或分子方法掩盖了不同细胞类型之间表达固有的异质性，那么确定哪种细胞类型和发育过程是根系结构和功能的主要决定因素是具有挑战性的。单细胞RNA测序（scRNA-seq）的最新进展彻底改变了植物根系发育的探索，使得能够鉴定出参与根系生长和发育的细胞类型特异性基因、通路和调控网络。几种激素，如乙烯和油菜素内酯，在影响拟南芥表皮和皮层细胞层内的根系发育中发挥着关键作用。已鉴定出几种经典的ABF2和ABF3转录因子为内皮层细胞中的硝酸盐响应性功能调节因子。在玉米中，已构建了单细胞分辨率的根系图谱，揭示了SHORT-ROOT信号通路调节皮层层数，从而决定了谷物根系解剖结构的独特复杂性。尽管取得了这些进展，但谷物中参与根系发育和胁迫适应的细胞类型特异性调节因子和基因调控网络仍有待充分阐明。群体遗传学为探索根系遗传学并将这些见解转化为作物改良和可持续农业策略提供了强大的框架。作者利用357个玉米自交系的转录组数据和基于玉米参考基因型B73的scRNA-seq分析结果，生成并整合了全转录组关联研究（TWAS）数据。作者鉴定了几个参与玉米根系发育复杂数量性状的关键调节基因。特别是，作者将ZmbZIP89鉴定为影响侧根发育的关键转录因子，并绘制了其在皮层/表皮细胞中的空间表达模式。作者进一步建立了ZmbZIP89介导的调控网络，并证明ZmbZIP89激活过氧化物酶（POD）基因ZmPRX47的表达，从而促进活性氧（ROS）的产生。ZmbZIP89-ZmPRX47-ROS模块被功能验证为介导根系发育和玉米抗旱性的关键组分。值得注意的是，ZmbZIP89的3′非翻译区（UTR）序列变异提供了侧根发育自然变异与基因表达水平之间的联系。作者的研究为调控根系细胞特异性发育的遗传网络提供了有价值的见解，并为改善玉米根系以增强抗逆性提供了宝贵的基因组资源。