康向阳教授团队在杨树气孔密度转录调控方面取得新进展
近日，北京林业大学生物科学与技术学院康向阳教授团队在New Phytologist（一区Top）和International Journal of Biological Macromolecules（一区Top）杂志分别发表了题为"MYC2 regulates stomatal density and water use efficiency via targeting EPF2/EPFL4/EPFL9 in poplar"，以及"Stomatal density suppressor PagSDD1 is a ‘generalist’ gene that promotes plant growth and improves water use efficiency"的研究论文，研究揭示了PpnMYC2影响植物气孔密度和水分利用效率的分子机制，以及气孔密度抑制因子PagSDD1对植物营养生长和水分利用效率的影响等。
研究表明，气孔密度受EPF/EPFL家族多个基因的影响，但其上游调控因子尚不清楚。作者利用三倍体杨树的转录组数据进行了TGMI网络构建，发现PpnMYC2与气孔发育相关基因PpnEPF2、PpnEPFL4、PpnEPFL9存在相关性。过表达PpnMYC2杨树和拟南芥的气孔密度均显著降低，且过表达PpnMYC2植株具有更高的水分利用效率。转录组测序显示，过表达PpnMYC2促进了气孔密度抑制因子PagEPF2和PagEPFL4的表达，并抑制了气孔密度促进因子PagEPFL9的表达。酵母单杂交、EMSA、Chip-qPCR和双荧光素酶报告基因检测实验证实了PpnMYC2直接调控PagEPF2、PagEPFL4和PagEPFL9影响气孔密度(图1-a)。PpnMYC2、PpnEPF2和PpnEPFL4基因在三倍体中表达上调，而PpnEPFL9基因表达下调，是三倍体植物气孔密度稀疏的原因之一(图1-b)。
图1 转录因子MYC2调控气孔密度(a)及多倍体气孔密度降低(b)分子模型
SDD1作为一个丝氨酸蛋白酶，是气孔密度抑制因子，迄今未见SDD1调控植物营养生长的研究报道。作者发现SDD1在三倍体杨树中顶芽、幼叶、成熟叶中均显著上调表达，推测SDD1除了调控气孔发生发育外，可能参与调控三倍体杨树的营养生长。进而在银腺杨84K中克隆了PagSDD1基因，发现过表达PagSDD1杨树、大豆和生菜的叶片气孔密度显著降低且气孔尺寸增大。过表达PagSDD1抑制气孔发育关键基因PagEPF1、PagEPF2、PagEPFL9、PagSPCH、PagMUTE和PagFAMA的表达，并促进其受体PagTMM和PagERECTA表达。PagSDD1-OE杨树转录组测序表明，与光合速率正相关的PagLHCB2.1、PagGRF5等基因，以及与细胞分裂分化相关的PagCYCA3;4，PagEXPA8等基因显著上调，促进叶片光合作用和生长素以及细胞分裂素的积累以及营养生长。表明SDD1是一个兼具调控植物气孔发生发育以及营养生长和抗逆性的“多面手”基因，过表达可使杨树、大豆、生菜生物量提高约70%、176%、155%，杨树叶片水分利用效率提高52%以上（图2），对于开展兼顾生长和节水目标性状植物分子设计育种具有重要价值。
图2 过表达SDD1杨树、大豆、生菜表型变异
北京林业大学生物科学与技术学院博士研究生夏宇飞为两篇论文的第一作者，康向阳教授为通讯作者。博士研究生江慎秀、舒江海和团队青年教师杜康，以及中国农科院助理研究员武文琦、中国林科院热林所助理研究员韩强等参与了相关研究。成果属于“十四五”国家重点研发计划课题“林木三倍体高效诱导技术究（2021YFD2200105）”的主要内容。
原文链接：
https://doi.org/10.1111/nph.19531
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129721
作者：夏宇飞
编辑：张亚坤
审核：杜庆章
