Plant Cell | 周功克团队揭示蛋白酶体途径调控杨树形成层活性的新机制

责编 | 奕樊

木材形成过程中，木质部细胞来源于维管形成层干细胞的分裂和分化。因此，维管形成层细胞的发生与活力保持至关重要，是决定木材产量和品质的关键，而形成层活性的维持受多种因素调控，激素、短程肽信号及多种转录因子都可以在转录水平上影响形成层活性。WOX4作为形成层活性调控的枢纽，能够响应生长素在内的多种激素以及小肽信号，进而参与形成层活性的维持。到目前为止，有关维管形成层细胞活性调控的研究大部分集中在转录水平，而转录后水平的调控途径知之甚少。

6月16日，青岛农业大学周功克教授课题组The Plant Cell杂志在线发表了题为“Ubiquitinated DA1 negatively regulates vascular cambium activity through modulating the stability of WOX4 in Populus”的研究论文。该研究从转录后水平鉴定到一个蛋白复合体PagDA1-PagWOX4，揭示了蛋白酶体途径调控杨树形成层活性的新机制，为转录后途径参与调控木材形成的研究开辟新的思路。

周功克课题组在前期研究中鉴定到一个杨树蛋白模块PagC3H17-MYB199双重调控木质部发育（New Phytologist, 2020）。对上述转基因植株的RNA-Seq分析筛选到一个表达显著差异的PagDA1基因，进一步分析表明PagDA1可以负调控形成层活性。

通过酵母双杂交筛库筛选到一个关键的WOX4蛋白，组织表达及蛋白互作实验表明PagDA1与PagWOX4蛋白在形成层区域互作，而遗传分析显示PagWOX4在PagDA1的下游发挥重要功能。通过制备WOX4特异性抗体进行无细胞蛋白质降解试验，发现PagWOX4蛋白稳定性受泛素蛋白酶体途径影响，并且PagDA1过表达植株的蛋白提取液能加速PagWOX4蛋白的降解，表明PagDA1可以影响PagWOX4的稳定性。

进一步从酵母双杂筛选结果中鉴定到一个蛋白PagDA2，它能够与PagDA1互作，并可以在体外体内泛素化PagDA1。结合PagDA1转基因植株中PagWOX4蛋白的积累与PagDA1的泛素化程度，表明PagDA1对PagWOX4蛋白稳定性的调控部分依赖于PagDA2对其进行的泛素化修饰（图1）。

综上所述，该研究揭示了一条在转录后水平上调控杨树形成层发育的新途径，也为未来利用基因工程手段定向培育林木提供了新的靶标。

图1 杨树DA1负调控形成层活性的分子机制

该研究由中科院青岛能源所、青岛农业大学、中国林业科学研究院、浙江农林大学和美国北卡州立大学等多家单位协作完成。中科院岛生物能源与过程研究所唐贤丰副研究员为论文第一作者，青岛农业大学周功克教授与中国林科院李全梓研究员为共同通讯作者。青岛农业大学柴国华教授及孔英珍教授，青岛生物能源与过程研究所李胜军研究员，浙江农林大学卢孟柱教授和美国北卡州立大学Ronald Sederoff院士参与了相关研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省草学一流学科等项目资助。

值得一提的是，周功克课题组主要围绕植物细胞壁形成机制开展研究，取得多项重要研究进展，揭示了DF1-GL2分子模块协同调节RGI生物合成机制（Plant Cell，2022，同期对此观点发表了专题评论），阐明了ERF4–MYB52转录复合物精细调控HG去甲基酯化机制（Plant Cell, 2021），发现了油菜素内酯精确调控植物细胞伸长的新机制（Plant Physiology, 2022），解析了HDG2直接调控纤维素合酶CESA5基因表达的分子机制（Plant Physiology, 2021，同期对此观点发表了专题评论），阐明了BLH2/4正调节果胶去甲基酯化机制（Plant Physiology, 2020），分析了油菜素内酯调控杨树形成层和木材发育机制（Horticulture Research，2022），揭示了杨树PagC3H17-PagMYB199模块双重调控木质部形成机制（New Phytologist, 2020）以及参与揭示了树蕨进化及树干发育的分子机制（Nature Plants，2022），这些研究工作加深人们认识植物细胞壁的合成与调控机制，为推动林木和作物分子设计育种奠定了基础。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac178