莖頂端分生組織（SAM）作為植物地上組織的來(lái)源，對(duì)植物形態(tài)發(fā)生和發(fā)育至關(guān)重要。已有的關(guān)于玉米功能突變體的研究揭示了若干與SAM生長(zhǎng)發(fā)育及分化相關(guān)的關(guān)鍵基因，其中很大一部分屬于homeobox轉(zhuǎn)錄因子家族基因。Homeobox TFs在生物體的生長(zhǎng)發(fā)育中扮演的復(fù)雜調(diào)控角色，如Kn1、Rs1和Gn1等基因的功能重要性等已在多種植物物種中得到證實(shí)。Homeobox家族轉(zhuǎn)錄因子（TFs）通過(guò)與靶基因互作構(gòu)成復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控植物細(xì)胞內(nèi)眾多生物學(xué)過(guò)程，Homeobox家族調(diào)控組的研究有望深化對(duì)植物發(fā)育機(jī)制的理解。
9月19日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院李林教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北農(nóng)林科技大學(xué)薛吉全教授團(tuán)隊(duì)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(gè)轉(zhuǎn)錄組和16個(gè)翻譯組數(shù)據(jù)集，結(jié)合tsCUT&Tag、ATAC-seq和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，成功繪制了SAM關(guān)鍵homeobox TFs的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，全面系統(tǒng)解析了homeobox TFs調(diào)控株高功能基因的分子機(jī)制。該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為深入系統(tǒng)剖析控制玉米SAM生長(zhǎng)發(fā)育和株型形態(tài)建成的潛在分子機(jī)制提供了可能。
研究團(tuán)隊(duì)首先收集了一組已報(bào)道的影響SAM生長(zhǎng)分化的功能基因，基于實(shí)驗(yàn)室前期已發(fā)表的玉米多組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)（Han et al 2023），通過(guò)其在共表達(dá)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(wǎng)絡(luò)。該分子網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)分化中發(fā)揮重要的作用。為深入解析玉米SAM相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（TFs）在組織分化和發(fā)育中的分子機(jī)制，該研究對(duì)3個(gè)TF亞家族進(jìn)行了tsCUT&Tag實(shí)驗(yàn)，共鑒定出30,915個(gè)可重復(fù)的TF結(jié)合位點(diǎn)?；趖sCUT&Tag數(shù)據(jù)構(gòu)建了28個(gè)玉米SAM相關(guān)homeobox轉(zhuǎn)錄因子的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包含235,043個(gè)邊和18,463個(gè)節(jié)點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)為進(jìn)一步解析玉米SAM相關(guān)homeobox轉(zhuǎn)錄因子的功能提供了寶貴資源。
為構(gòu)建組織特異性動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，基于黃化幼苗葉片ATAC-seq和tsCUT&Tag數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以預(yù)測(cè)SAM組織的調(diào)控位點(diǎn)。最后集成多個(gè)數(shù)據(jù)集構(gòu)建了SAM動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)的信號(hào)通路”（赤霉素、乙烯和生長(zhǎng)素）“組織發(fā)育”（花、果實(shí)、種子、葉）和細(xì)胞分化相關(guān)的基因。這些發(fā)現(xiàn)突顯了SAM動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生物學(xué)意義，并為迄今為止未分類(lèi)基因的功能提供了新的見(jiàn)解。
株高是重要的理想株型農(nóng)藝性狀之一，其被復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制所影響。該研究系統(tǒng)整理了已發(fā)表與株高相關(guān)的功能基因，并將這些基因按照功能模塊化的特點(diǎn)，劃分為多個(gè)生物學(xué)途徑模塊，最終生成了包含homeobox TFs與78個(gè)已知株高功能基因的株高功能網(wǎng)絡(luò)，充分展示了homeobox TFs如何通過(guò)多種不同的生物學(xué)途徑對(duì)植株高度產(chǎn)生影響，并且大多數(shù)株高功能基因似乎也都受到了多個(gè)homeobox TFs的調(diào)控和影響。例如，生長(zhǎng)素合成途徑中的Vt2基因同時(shí)受到KNOX亞家族的兩個(gè)成員Knox6和Hb20的調(diào)控，同時(shí)Knox6還可以調(diào)控Hb20基因的表達(dá)。這些證據(jù)揭示了homeobox TFs控制植株高度的分子網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。
為了測(cè)試從網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)到的基因功能，進(jìn)而解析調(diào)控株高的分子網(wǎng)絡(luò)。研究利用CRISPR/Cas9編輯敲除，成功獲得wox13a功能喪失突變體。結(jié)果顯示，突變體植株的株高和穗位高都顯著降低。結(jié)合tsCUT&Tag和突變體RNA-seq分析，鑒定到一個(gè)下游靶標(biāo)為經(jīng)典株型功能基因Gn1，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)了WOX13A誘導(dǎo)Gn1表達(dá)，調(diào)控玉米的株高發(fā)育。
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)室已畢業(yè)博士羅姿（現(xiàn)湖南省農(nóng)科院），已出站博士后吳雷明（現(xiàn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)教授）和博士研究生苗馨心為該論文的第一作者，華中農(nóng)大李林教授和西北農(nóng)林科技大學(xué)薛吉全教授團(tuán)隊(duì)徐淑兔副教授為通訊作者，中山大學(xué)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(dá)大學(xué)Gary J. Muhelbauer教授的幫助與指導(dǎo)。在機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)模型的構(gòu)建中，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能團(tuán)隊(duì)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃－農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀基因組大數(shù)據(jù)輔助設(shè)計(jì)育種項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目和中央高校優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)培育項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-024-03391-8#Sec2
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