冠根（不定根）是禾谷類作物根系的主要組成部分，闡明其形成機(jī)制有助于提高作物對(duì)水分、礦質(zhì)離子的吸收和環(huán)境適應(yīng)性，從而進(jìn)一步提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。WOX11是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室趙毓教授團(tuán)隊(duì)2009年鑒定到的調(diào)控水稻冠根發(fā)育的關(guān)鍵因子（Zhao et al., Plant Cell, 2009）。經(jīng)過(guò)十多年的努力，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地解析了WOX11調(diào)控冠根發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（Zhao et al., Plant Cell, 2015; Cheng et al., Plant Signal Behav, 2016; Jiang et al., J Exp Bot, 2017; Zhou et al., Plant Cell, 2017; Cheng et al., Nucleic Acids Res, 2018; Zhang et al., Plant Cell Physiol, 2020; Xu et al., J. Adv. Res., 2023; Xu et al., Plant Physiol, 2023; Geng et al., New Phytol., 2023），為進(jìn)一步利用WOX11改良水稻根系，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻種質(zhì)資源奠定了堅(jiān)實(shí)的分子基礎(chǔ)。

 

　　2024年1月8日，該課題組在國(guó)際植物學(xué)領(lǐng)域著名期刊The Plant Cell上在線發(fā)表了題為“Transcription factors WOX11 and LBD16 function with histone demethylase JMJ706 to control crown root development in rice”的研究論文，進(jìn)一步揭示了WOX11-JMJ706-LBD16模塊調(diào)控水稻冠根發(fā)育的反饋機(jī)制。

 

　　在本研究中，通過(guò)遺傳學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)方法聯(lián)合分析，作者發(fā)現(xiàn)植物特有的轉(zhuǎn)錄因子LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN （LBD）家族蛋白LBD16是水稻冠根發(fā)育調(diào)控的變阻器。在水稻冠根發(fā)育過(guò)程中WOX11能夠招募組蛋白H3K9去甲基化酶JMJ706，去除其下游靶基因LBD16上的H3K9me2修飾，從而激活LBD16的表達(dá)。有意思的是，超量表達(dá)LBD16并不能改變水稻冠根發(fā)育的表型。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冠根原基中LBD16被激活表達(dá)后處于高豐度時(shí)，LBD16就會(huì)競(jìng)爭(zhēng)掉JMJ706而與WOX11相互作用，使其基因座上的H3K9me2增加，導(dǎo)致WOX11對(duì)LBD16的激活作用被解除，LBD16蛋白相應(yīng)地減少；隨著冠根原基中LBD16的減少，此時(shí)JMJ706與 WOX11 相互作用就逐漸加強(qiáng)，再一次促進(jìn)了WOX11對(duì)LBD16激活。在水稻冠根的生長(zhǎng)過(guò)程中WOX11-JMJ706-LBD16形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，讓LBD16始終維持在適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)水平，以保證水稻冠根正常生長(zhǎng)。該研究揭示了水稻冠根發(fā)育調(diào)控的動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制，為水稻根系改良分子育種提供了新的靶點(diǎn)和思路。同時(shí)也為理解水稻冠根發(fā)育的調(diào)控機(jī)制提供了新的視角。

 

　　長(zhǎng)期以來(lái)，趙毓教授團(tuán)隊(duì)圍繞水稻發(fā)育生物學(xué)和環(huán)境適應(yīng)性開(kāi)展了系列研究，先后鑒定了一系列調(diào)控水稻根和莖頂端分生組織活性維持的關(guān)鍵基因并深入解析了其細(xì)胞和遺傳機(jī)制，獲得了一系列原創(chuàng)性研究成果，對(duì)理解植物不定根發(fā)育、莖頂端分生組織維持和胚胎形成的分子機(jī)制有重要意義。該團(tuán)隊(duì)在Nature Communications、The Plant Cell、EMBO Journal、Nucleic Acids Research等雜志發(fā)表研究論文40余篇，論文引近5000次。該研究工作也是趙毓教授團(tuán)隊(duì)取得的又一重要成果。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室趙毓教授為該論文通訊作者，生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院已畢業(yè)耿樂(lè)萍博士為論文第一作者，周道繡教授和練興明教授對(duì)該研究提供了指導(dǎo)和幫助，張婷博士、博士研究生檀明芳和汪奕頡、碩士生鄧啟玉、胡曉松、葉淼淼也參與了本研究部分工作。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

 

　　英文摘要：

 

　　Crown roots are the main components of root systems in cereals. Elucidating the mechanisms of crown root formation is instrumental for improving nutrient absorption, stress tolerance, and yield in cereal crops. Several members of the WUSCHEL-related homeobox （WOX） and lateral organ boundaries domain （LBD） transcription factor families play essential roles in controlling crown root development in rice （Oryza sativa）。 However, the functional relationships among these transcription factors in regulating genes involved in crown root development remain unclear. Here, we identified LBD16 as an additional regulator of rice crown root development. We showed that LBD16 is a direct downstream target of WOX11, a key crown root development regulator in rice. Our results indicated that WOX11 enhances LBD16 transcription by binding to its promoter and recruiting its interaction partner JMJ706, a demethylase that removes histone H3 lysine 9 dimethylation （H3K9me2） from the LBD16 locus. In addition, we established that LBD16 interacts with WOX11, thereby impairing JMJ706–WOX11 complex formation and repressing its own transcriptional activity. Together, our results reveal a feedback system regulating genes that orchestrate crown root development in rice, in which LBD16 acts as a molecular rheostat.

 

　　原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38190205/