Nature Plants | 东北林业大学李伟研究组揭示杨树维管形成层发育的表观遗传与转录协同调控机制

东北林业大学李伟研究组在《Nature Plants》发表研究，揭示了杨树维管形成层发育的表观遗传与转录协同调控机制，发现了“tetramer-PtrWOX4a”途径。具体研究内容如下：研究背景：木材是丰富的可再生资源，树木茎维管分生组织中的形成层干细胞通过分裂分化产生次生木质部细胞形成木材。植物学家Sanio在1873年提出维管分生组织干细胞发育假说，但近150年来，人们对维管形成层干细胞分裂分化活动背后的分子调控机制的研究仍处在初期阶段，阻碍了现代分子育种技术在林木育种中的应用。研究方法：研究团队利用激光显微切割技术分离并收集了杨树维管形成层细胞及其衍生细胞。通过转录组分析，鉴定出95个杨树维管形成层特异表达的转录因子（VCS TF），依次命名为PtrVCS1~PtrVCS95。整合分析过量表达PtrVCS2转基因植株的RNA-seq和PtrVCS2转录因子的ChIP-seq数据，鉴定出PtrVCS2结合并调控的下游靶基因。利用Y2H筛选、BiFC体内验证、Pull-down以及凝胶电泳迁移实验，证明蛋白间相互作用。利用PtrVCS2和PtrGCN5-1转基因杨树结合染色质免疫共沉淀技术，证明四聚体对PtrWOX4a启动子上组蛋白乙酰化修饰的调控。通过蛋白质互作分析和HAT酶活性分析实验，研究PtrVCS2对蛋白四聚体互作关系及组蛋白乙酰化修饰活性的影响。关键发现：PtrVCS2的功能：PtrVCS2编码一个功能未知的ZF-HD家族成员蛋白，在维管形成层中的表达丰度仅次于核心基因PtrWOX4a（即PtrVCS1）。PtrVCS2负调控维管形成层增殖和杨树径向生长。PtrVCS2与PtrWOX4a的关系：PtrVCS2负调控PtrWOX4a在维管形成层中的表达。过量表达PtrWOX4a的转基因杨树与ptrvcs2ptrvcs2-h突变体表型相似，ptrwox4aptrwox4b突变体与过量表达PtrVCS2杨树表型相似。PtrVCS2–PtrWOX13a–PtrWOX4a调控途径：PtrVCS2与PtrWOX13a（即PtrVCS12）相互作用形成PtrWOX13a–PtrVCS2蛋白二聚体，PtrWOX13a结合到PtrWOX4a启动子的CAATCAC顺式作用元件，PtrWOX13a对PtrWOX4a启动子的结合能够直接激活PtrWOX4a转录。蛋白四聚体的形成与调控：PtrVCS2和PtrWOX13a与组蛋白乙酰转移酶复合体PtrGCN5-1–PtrADA2b-3形成蛋白四聚体PtrWOX13a–PtrVCS2–PtrGCN5-1–PtrADA2b-3。PtrVCS2破坏蛋白四聚体成员间的互作关系，改变蛋白四聚体对于靶位点的组蛋白乙酰化修饰活性，从而调控靶基因PtrWOX4a的转录水平。“tetramer-PtrWOX4a”系统的作用机制：蛋白四聚体PtrWOX13a–PtrVCS2–PtrGCN5-1–PtrADA2b-3通过转录因子PtrWOX13a直接结合PtrWOX4a基因的启动子，招募组蛋白乙酰化酶复合体PtrGCN5-1–PtrADA2b-3，PtrVCS2蛋白丰度影响组蛋白乙酰化酶复合体的互作强度，动态调控PtrWOX4a基因的乙酰化水平，从而控制该基因的表达，以调控杨树维管形成层的发育。研究意义：该研究拓展了人们对木材形成过程中维管形成层发育分子调控机制的科学认知。为利用分子育种技术培育速生、优质林木新品种提供了新线索和新视角，有助于从表观遗传角度进行林木分子育种，提高木材产量和改良木材品质。研究团队与资助：东北林业大学在读博士研究生代秀芳为该论文的第一作者，李伟教授为通讯作者，姜立泉教授参与指导该项工作。该研究得到国家重点研发计划、中央高校和黑龙江省头雁行动计划等项目资助。相关评论：《Nature Plants》同期刊发了题为《Epigenetics rules cambial growth》的评论文章，对该工作进行了介绍和点评。