《Plant Science》：PabIAA33-PabARF16 module regulates PabWOX13 expression to promote adventitious root formation in poplar cuttings
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本研究揭示杨树切条中 auxin 介导的 PabIAA33-PabARF16 激素调控模块通过结合变体AuxRE元件调控 PabWOX13 基因表达，促进侧根原基形成，并关联木聚糖合成基因表达，为杨树扦插繁殖遗传改良提供新策略。
岳宇|康来丽|付春丽|宋晨|韩曦丽|卜宇天|文轩刘|邢国兰|苏晨
中国东北林业大学林木遗传与育种国家重点实验室，哈尔滨市和平路150040
摘要
与其它杨树品种相比，白杨（Populus属）在扦插繁殖过程中形成不定根的能力较弱。尽管已知不定根的形成依赖于根原基诱导的潜力，但杨树扦插中的具体机制仍不清楚。在这项研究中，我们发现了一个由生长素介导的调控模块，该模块参与杨树扦插中的不定根形成，包括C类ARF成员PabARF16和非典型的Aux/IAA成员PabIAA33。PabIAA33-PabARF16模块通过与其启动子区域内的特定AuxRE元件结合，正向调控PabWOX13的表达。与野生型（WT）相比，过表达PabWOX13会导致杨树扦插基部更早且更多的根原基形成。此外，我们发现生长素可以通过提高与木聚糖生物合成相关的基因表达来增强PabWOX13过表达扦插中的不定根形成。这些发现为促进杨树无性繁殖中的不定根形成提供了遗传策略，旨在提高生产力和环境适应性。
引言
由于生长迅速和较强的抗逆性，杨树已成为全球栽培最广泛的树种（Xin等人，2020年）。扦插繁殖是杨树最有效的无性繁殖方法之一，因为它可以快速产生大量基因相同的个体（Zhao等人，2014年）。不定根（ARs）的形成效率决定了某种杨树是否可以通过扦插进行大规模繁殖（Bannoud, Bellini，2021年）。在杨树扦插中，不定根提供结构支持，吸收养分和矿物质，并适应环境条件（Bellini等人，2014年）。它们起源于靠近韧皮部的薄壁细胞的分化，形成根原基，随后发育成不定根（Druege等人，2019年）。这一过程受到内源激素和环境因素的影响（Liu等人，2025c）。然而，在某些杨树品种中，如Populus属，不定根的形成仍然困难或完全失败，严重限制了其大规模无性繁殖（Zhao等人，2014年）。如果不定根不能及时形成，杨树扦插可能会因养分耗尽、损伤诱导的活性氧（ROS）爆发和程序性细胞死亡而死亡（Bannoud, Bellini，2021年）。相反，当扦插容易形成不定根时，它们能更快地适应新环境（Liu等人，2025a）。此外，不定根在植物抵御非生物胁迫（如干旱和盐碱）方面起着关键作用（Luo等人，2019年）。因此，了解不定根形成的机制对于开发提高不同环境下扦插繁殖树木效率和抗逆性的策略至关重要。
根的形成受内源激素水平的影响，其中生长素被认为是最重要的调节因子（Gonin等人，2019年；Shu等人，2019年；Yu等人，2022年）。虽然生长素是调节所有类型根形成的关键激素，但不同类型根的形成机制各不相同。一些转录因子（TFs）直接调控参与生长素信号通路的关键基因的表达（Yu等人，2022年）。这些TFs包括生长素响应因子（ARFs）、WUSCHEL相关同源框（WOXs）、LBDs、GRFs、AP2/ERFs和WRKYs（Liu等人，2018年；Lee等人，2019年；Neogy等人，2019年；Szczygie?-Sommer, Gaj 2019年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2023年）。已有研究表明ARFs参与根原基的诱导和不定根的形成（Xuan等人，2024年）。植物中的ARF成员主要分为A、B和C三类（Li等人，2016年）。ARF蛋白通常含有一个识别生长素响应元件（AuxREs）的DNA结合域，从而激活或抑制下游基因的转录（Mironova等人，2014年）。在ARF家族中，A类和B类成员在系统发育上彼此更为接近，且由于保守的B3结构域而具有相似的DNA结合特性（Freire-Rios等人，2020年）。生长素的积累促进了SCFTIR1/AFB E3泛素连接酶复合体与Aux/IAA共受体的相互作用，从而释放了A类和B类ARF成员的活性（Salehin等人，2015年）。据报道，C类ARFs（C-ARFs）在基因功能和DNA结合特性上与A类和B类不同（Freire-Rios等人，2020年）。AtARF10和AtARF16属于C-ARF蛋白，在拟南芥中通过抑制PLT1和PLT2来协同调节根冠细胞的形成（Salvi等人，2020年）。值得注意的是，这种抑制过程不需要传统的AuxRE元件（5’-TGTCTC-NNNNNN-GAGACA-3’）（Mironova等人，2014年；Marzi等人，2024年）。这些发现表明C-ARF成员可能通过结合AuxREs的变体元件来调节根的形成和发育。在拟南芥中，ARF5、ARF7/19和ARF6/8分别调节主根、侧根和不定根的形成（Zhang等人，2023年）。然而，C-ARFs在杨树中参与不定根形成的功能尚不清楚。
在不定根形成过程中，生长素激活伤口部位的干细胞分化为不定根原基（Alaguero-Cordovilla等人，2021年）。已有研究表明ARF成员通过调控WOX基因参与干细胞分化（Zhang等人，2023年）。然而，尚不确定C-ARFs是否具有类似的调控能力。WOX家族是一组核心转录因子，负责调节干细胞的特异性分化（Liu等人，2014年）。机械损伤会导致植物中WOX基因表达的显著变化，这些变化受生长素调控（Xie等人，2021年；Rasheed等人，2024年）。生长素激活WOX5、WOX11和WOX12的表达，以调节不定根的增殖和伸长（Hu等人，2016年）。研究表明生长素通过调控WOX13来介导次生生长和器官特异性分化的诱导阶段（Chang等人，2020年；Ikeuchi等人，2022年）。在拟南芥中，过表达AtWOX13可促进次生细胞壁的发育和伤口愈合（Ikeuchi等人，2022年）。ARF19通过结合WOX13启动子区域内的AuxREs变体来促进胚胎细胞的形成，这一过程由外源IAA介导（Shen等人，2024年）。尽管WOX13蛋白与干细胞分化密切相关，但其对杨树扦插中不定根形成的影响尚不清楚。一些次生代谢物也被报道参与杨树中不定根的形成，如黄酮类、木质素、纤维素和半纤维素（Li等人，2025年）。木聚糖是木质部细胞壁中半纤维素的主要成分，可促进半纤维素的生物合成和细胞壁增厚（Wang等人，2025年）。虽然木聚糖对次生细胞壁沉积和木质部扩展至关重要，但其如何影响新根器官的形成仍需进一步研究。在我们的转录组数据中，与木聚糖生物合成相关的基因在杨树扦插中不定根形成期间显著富集，尤其是在根原基诱导阶段。总之，这些与木聚糖生物合成相关的基因可能参与不定根的形成过程，尤其是在根原基分化期间。
不定根的形成对于杨树等木本多年生植物的无性繁殖至关重要。本研究中使用了栽培品种P. alba ‘Berolinensis’。该品种属于Populus属，其生根能力相对较弱。然而，与其他同属品种相比，P. alba ‘Berolinensis’的生根能力更强（Chen等人，2023年）。然而，杨树扦插中不定根形成的调控机制仍不甚清楚。具体而言，C-ARFs和WOX家族基因在此过程中的作用尚未明确，以及将生长素信号与木聚糖生物合成联系起来的上游调控因子也尚未确定。因此，本研究旨在阐明涉及PabIAA33、PabARF16和PabWOX13的转录级联反应调节杨树扦插中不定根形成的分子机制，并探讨其与木聚糖生物合成的潜在联系。我们的发现将为深入理解不定根形成提供理论基础，并为杨树育种的遗传改良提供潜在靶点。
实验材料与生长条件
PabARF16和PabWOX13的野生型和转基因植物在培养基（1/2 MS + 25 g/L蔗糖 + 0.2 mg/L IBA + 0.05 mg/L NAA + 6 g/L琼脂）中培养15天，随后移植到营养土壤（花土：蛭石：珍珠岩 = 5:2:1）中。在琼脂培养基上培养6天、9天和12天的野生型和转基因品系用于表型分析。通过ImageJ软件（Fiji 1.54p）从校准的数字照片中计数不定根的数量并测量其长度。
不定根形成期间差异表达基因的鉴定
P. alba ‘Berolinensis’是一种属于Populus属的人工异源多倍体（Chen等人，2023年）。经过10天的水培后，P. alba ‘Berolinensis’的扦插在基部形成了不定根（图1A-E）。通过对生根扦插基部进行横切观察，我们发现两天内形成了由木质部、形成层、韧皮部和表皮组成的有序分层结构（图1A、F和K）。在4天时，我们观察到薄壁细胞...
过表达PabARF16可能由于根系的改善而产生更大的生物量
生长素信号对植物的生长和发育至关重要（Estrella-Maldonado等人，2022年）。植物中超过85%的水分和养分由根系提供（Dunbabin等人，2002年）。对于适合扦插繁殖的树种，更多的不定根和更强的根系通常会导致更多的水分和养分吸收，从而增加木材产量（Yu等人，2022年）。PabARF16属于C-ARF亚家族，其成员已被报道参与...
结论
在这项研究中，我们发现了一个由生长素介导的调控模块PabIAA33-PabARF16，该模块参与杨树扦插中的不定根形成。该调控模块可以结合PabWOX13启动子区域中的特定AuxRE元件，从而调节其表达。在过表达PabWOX13的品系中，我们观察到扦插基部的根原基形成更早且数量更多。相比之下，抑制PabWOX13的品系显示...
未引用的参考文献
(Hu和Xu，2016年；Liu等人，2025年；Liu等人，2025年；Luo和Zhao，2019年；)
CRediT作者贡献声明
邢国兰：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法学、实验设计。苏晨：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。付春丽：资源准备、方法学、实验设计。岳宇：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、资源准备、实验设计、资金获取、数据分析。康来丽：资源准备、实验设计。卜宇天：软件操作。文轩刘：资源准备、方法学。宋晨：验证、监督、软件操作，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2200204）、黑龙江省自然科学基金（LH2024C051）和中国博士后科学基金（2025M771924）的支持。我们感谢审稿人和编辑对本文的工作贡献。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
