植物的分枝发育在植物株型、光吸收效率以及对环境的适应能力等方面具有重要影响。近年来，通过遗传学与分子生物学等手段，人们对植物分枝发育调控的分子机制的认识不断深入，发掘出了大量的调控植物分枝发育的基因，但其作用机制和调控网络尚不完善。2024年6月，Plant, Cell & Environment 在线发表了浙江农林大学卢孟柱/张进教授课题组完成的题为PagKNAT2/6b promotes shoot branching by attenuating auxin‐strigolactone signalling in poplar 的研究论文，揭示了一个新的分枝发育调控模块“PagKNAT2/6b-IAA-SL”即杨树KNOX基因家族成员PagKNAT2/6b响应顶端胁迫处理，并通过抑制生长素（IAA）合成基因YUC6a的表达减低植物体内IAA含量，而IAA含量的降低直接导致独角金内酯（SL）合成基因（MAX3与MAX4）的表达下降，进而降低SL含量促进分枝的发生。
图2. 顶端损伤胁迫处理促进分枝发生。(A-B) PagKNAT2/6b OE 杨树（OE5 和 OE7）和 PagKNAT2/6b 反义抑制转基因杨树（anti2 和 Anti3）在去顶处理15天后的分枝表型及分枝数量统计。(C-D) 顶端压力处理30D后的分枝表型及分枝数量统计。
该研究通过创制PagKNAT2/6b过表达（OE5与OE7）与PagKNAT2/6b 反义抑制（anti2与anti3）转基因杨树材料，并进行去顶和顶端压力胁迫处理。该研究发现与未转基因杨树（NT）相比，OE5和OE7的分枝数量分别显著增加65%和62%(图2A)；而anti2与anti3分枝数量分别显著下降38%和50%。说明PagKNAT2/6b 可促进杨树分枝的发生。
图4. PagKNAT2/6b 过表达转基因杨树中IAA和SL含量降低。(A-C) 分枝表型。(D) 根中内源 SL和SAM中IAA的含量。(E-F) SL类似物GR24或IAA处理对侧枝影响。
之前的研究已经证实生长素通过激活SL合成基因的表达，增加SL积累抑制分枝的发生，进而维持顶端优势。为此，本研究对PagKNAT2/6b 过表达转基因株系中IAA与SL含量进行检测，发现PagKNAT2/6b 过表达转基因杨树中IAA与SL含量均显著下降（图4）。随后，该研究结合RNA-Seq数据与ChIP-Seq数据分析发现，IAA合成关键基因PagYUC6a 可能为PagKNAT2/6b直接下游靶基因。为此，该研究提出如下假设“PagKNAT2/6b通过直接抑制IAA合成基因PagYUC6a的表达改变植物体内IAA与SL含量影响分枝发生”。随后，该研究通过Dual LUC、ChIP-PCR及EMSA实验（图5）证实了以上假设。
图5. PagKNAT2/6b直接抑制PagYUC6a 的表达。(A) PagYUC6a 在Pagknat2/6b 突变体SAM中高表达。(B) Dual-LUC实验说明PagKNAT2/6b抑制了PagYUC6a 的转录。(C) ChIP-PCR分析显示PagKNAT2/6b与PagYUC6a 启动子结合。(D) 使用PagKNAT2/6b与互作片段进行 EMSA分析。
综上所述，在正常生长条件下，PagKNAT2/6b 通过调节IAA合成基因PagYUC6a 的表达来维持SAM中正常的IAA含量；但当茎尖受到生物或非生物胁迫损伤时，PagKNAT2/6b 被激活并通过抑制IAA合成基因PagYUC6a 的表达，并通过IAA-SL途径促进腋芽萌发进而增加分枝发生（图8）。
图 8. PagKNAT2/6b 在芽分枝过程中的调控网络示意图。箭头表示激活，横杠表示抑制。PagKNAT2/6b 转录因子在茎顶端胁迫环境下诱导表达，直接抑制PagYUC6a 的表达，从而通过减少SL的合成增加分枝发生。
浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室卢孟柱教授为通讯作者，博士后赵岩秋（现于鲁东大学工作）为第一作者，团队张进教授和江成博士等参与研究工作。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFD2200205）、浙江省“十四五”育种专项林木协作组课题（2021C02070-1）和国家自然科学基金（32101482）等项目的支持。
关于Forestry Research
Forestry Research 是一本专注于林学领域的期刊，一本全新的国际化的、开放获取的、具有严格的编辑筛选和同行评审流程的期刊。主要发表与森林科学和多个相关领域的研究论文、方法、综述和观点；涵盖范围从分子到种群，再到生态系统。期刊主编由美国密歇根理工大学林业资源与环境学院卫海荣教授担任，北京林业大学钮世辉教授担任期刊执行主编。目前期刊已被CABI、Scopus等大型数据库收录。
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