9月19日，華中農業(yè)大學植物科學技術學院李林教授團隊聯合西北農林科技大學薛吉全教授團隊在Genome Biology在線發(fā)表了題為“A dynamic regulome of shoot-apical-meristem-related homeobox transcription factors modulates plant architecture in maize”的研究論文。該研究從玉米自交系B73中收集了46個轉錄組和16個翻譯組數據集，結合tsCUT&Tag、ATAC-seq和機器學習模型，成功繪制了SAM關鍵homeobox TFs的基因調控網絡，全面系統(tǒng)解析了homeobox TFs調控株高功能基因的分子機制。該調控網絡為深入系統(tǒng)剖析控制玉米SAM生長發(fā)育和株型形態(tài)建成的潛在分子機制提供了可能。

 

　　研究團隊首先收集了一組已報道的影響SAM生長分化的功能基因，基于實驗室前期已發(fā)表的玉米多組學整合網絡（Han et al 2023），通過其在共表達和共翻譯水平上的互作，篩選了已知SAM功能基因的直連分子網絡。該分子網絡基因顯著富集在KNOX、WOX和ZF-HD亞家族，表明這些亞家族可能在SAM的生長分化中發(fā)揮重要的作用。為深入解析玉米SAM相關轉錄因子（TFs）在組織分化和發(fā)育中的分子機制，該研究對3個TF亞家族進行了tsCUT&Tag實驗，共鑒定出30,915個可重復的TF結合位點。基于tsCUT&Tag數據構建了28個玉米SAM相關homeobox轉錄因子的基因調控網絡，包含235,043個邊和18,463個節(jié)點。該網絡為進一步解析玉米SAM相關homeobox轉錄因子的功能提供了寶貴資源。

 

　　為構建組織特異性動態(tài)調控網絡，基于黃化幼苗葉片ATAC-seq和tsCUT&Tag數據，團隊設計并訓練了一個機器學習模型，以預測SAM組織的調控位點。最后集成多個數據集構建了SAM動態(tài)網絡。該網絡主要富集與“分生組織發(fā)育”“分生組織起始”“分生組織維持”“芽系統(tǒng)發(fā)育”“激素介導的信號通路”（赤霉素、乙烯和生長素）“組織發(fā)育”（花、果實、種子、葉）和細胞分化相關的基因。這些發(fā)現突顯了SAM動態(tài)網絡的生物學意義，并為迄今為止未分類基因的功能提供了新的見解。

 

　　株高是重要的理想株型農藝性狀之一，其被復雜的調控機制所影響。該研究系統(tǒng)整理了已發(fā)表與株高相關的功能基因，并將這些基因按照功能模塊化的特點，劃分為多個生物學途徑模塊，最終生成了包含homeobox TFs與78個已知株高功能基因的株高功能網絡，充分展示了homeobox TFs如何通過多種不同的生物學途徑對植株高度產生影響，并且大多數株高功能基因似乎也都受到了多個homeobox TFs的調控和影響。例如，生長素合成途徑中的Vt2基因同時受到KNOX亞家族的兩個成員Knox6和Hb20的調控，同時Knox6還可以調控Hb20基因的表達。這些證據揭示了homeobox TFs控制植株高度的分子網絡的復雜性。

 

　　為了測試從網絡預測到的基因功能，進而解析調控株高的分子網絡。研究利用CRISPR/Cas9編輯敲除，成功獲得wox13a功能喪失突變體。結果顯示，突變體植株的株高和穗位高都顯著降低。結合tsCUT&Tag和突變體RNA-seq分析，鑒定到一個下游靶標為經典株型功能基因Gn1，進一步實驗證實了WOX13A誘導Gn1表達，調控玉米的株高發(fā)育。

 

　　華中農業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室已畢業(yè)博士羅姿（現湖南省農科院），已出站博士后吳雷明（現安徽農業(yè)大學教授）和博士研究生苗馨心為該論文的第一作者，華中農大李林教授和西北農林科技大學薛吉全教授團隊徐淑兔副教授為通訊作者，中山大學楊芳教授也參與了該研究工作。該研究在早期階段獲得了明尼蘇達大學Gary J. Muhelbauer教授的幫助與指導。在機器學習相關模型的構建中，華中農業(yè)大學人工智能團隊李偉夫副教授和吳昊博士生為研究提供了幫助。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃－農作物重要農藝性狀基因組大數據輔助設計育種項目、國家自然科學基金創(chuàng)新群體項目和中央高校優(yōu)秀青年團隊培育項目的資助。

 

　　論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-024-03391-8#Sec2