OUR1/OsbZIP1-OsPIN9调控模块控制水稻中依赖于生长素的冠根形成

《Frontiers in Plant Science》：OUR1/OsbZIP1-OsPIN9 regulatory module controls auxin-dependent crown root formation in rice

水稻冠根（CR）发育受OUR1/OsbZIP1调控，其通过抑制OsPIN9的表达影响auxin运输和信号传导。研究发现，OUR1/OsbZIP1缺失突变体在营养充足条件下CR数量和分蘖数显著增加，而敲除OsPIN9基因的突变体完全丧失这一表型。实验证实OUR1/OsbZIP1直接结合OsPIN9启动子并抑制其表达，导致auxin在茎基部内层地帶堆积，激活CRL1、CRL5和OsWOX11等CR形成相关基因，从而促进CR原基（CRP）形成。该模块揭示了水稻冠根发育中转录调控与auxin运输的整合机制。

　　
水稻冠根（CR）发育的分子调控机制研究

水稻作为全球主要粮食作物，其根系架构直接影响养分吸收与产量形成。近年来研究发现， auxin（生长素）信号通路通过PIN蛋白介导的极性运输调控CR形成。然而，PIN蛋白家族中OsPIN9的转录调控机制尚不明确，本研究通过基因编辑和分子互作分析，揭示了OsPIN9在CR发育中的关键作用及其调控网络。

1. **研究背景与问题提出**
水稻根系包含初生根（SR）和后天发育的冠根（CR），其中CR占据主导地位，直接影响水分养分吸收和产量。CR形成需建立茎基部局部 auxin 梯度，这依赖于PIN蛋白介导的极性运输系统。已知OsPIN9在CR形成中具有重要作用，但其上游调控因子尚未阐明。本研究聚焦于bZIP转录因子OUR1/OsbZIP1对OsPIN9的调控机制。

2. **实验设计与关键发现**
（1）表型观察：在营养充足条件下，our1突变体CR数量较野生型增加2-3倍，同时 tiller（分蘖）数量显著提升。通过CRISPR/Cas9技术构建pin9 our1双突变体，发现CR相关基因表达恢复至野生型水平，证实OsPIN9是our1表型的主要调控靶点。

（2）分子互作验证：通过EMSA和ChIP-qPCR证实OUR1/OsbZIP1可直接结合OsPIN9启动子中的ACGT核心序列。突变该结合位点后，OsPIN9表达量提升5-8倍，支持其作为负调控因子的作用。

（3）时空表达模式分析：荧光报告系统显示，our1突变体在茎基维管束外围区域OsPIN9表达增强，该区域与CR原基（CRP）形成位置高度重合。 crosses-section观察发现，突变体中CRP数量较野生型增加40-60%，且auxin响应基因CRL1、CRL5和OsWOX11的表达同步增强。

3. **分子机制解析**
研究揭示了一个新的调控模块：OUR1/OsbZIP1通过抑制OsPIN9表达，间接调控CR发育。具体机制包括：
- **负调控网络**：OsbZIP1家族转录因子通过识别启动子区域的ACGT核心序列，结合后抑制OsPIN9转录。这种调控具有组织特异性，主要作用于茎基维管束区域。
- **信号级联放大**：OsPIN9上调后，增强维管束外围区域的auxin外流，在CR原基形成区（内层地 meristem）建立局部高浓度梯度。这种梯度激活CRL1/CRL5等CR启动相关转录因子，进而促进OsWOX11表达，形成正反馈循环。
- **营养信号互作**：铵离子（NH4+）作为营养信号，通过激活OsPIN9促进CR形成。突变体在铵离子充足条件下，OsPIN9表达量较野生型提高3-5倍，而硝酸盐（NO3-）单独供给时，CR数量下降60%以上，提示氮代谢途径的交叉调控。

4. **与前人研究的关联**
（1）与PIN蛋白功能定位一致：OsPIN9作为单子叶特异PIN蛋白，其表达模式与已知的OsPIN1b和OsPIN10a在茎基维管束的定位相似（Wang et al., 2009）。
（2）拓展了bZIP转录因子的调控网络：前期研究显示OsbZIP1影响根系发育和产量（Hasegawa et al., 2021），本实验进一步揭示其在CR形成中的具体作用，形成从转录调控（OUR1/OsbZIP1）→运输蛋白激活（OsPIN9）→信号放大（CRL/CRL5/OsWOX11）的完整调控链。
（3）验证了氮代谢与根系发育的互作：铵离子供应促进CR形成的现象，与 Hou et al.(2021)关于OsPIN9响应铵离子的发现相印证，但首次揭示其转录调控机制。

5. **应用价值与未来方向**
（1）作物改良策略：通过编辑OUR1/OsbZIP1或过表达OsPIN9，可在氮肥充足条件下提升CR数量20-30%，同时增加分蘖数15-20%。该技术已在实验室构建的突变体中验证，未来需开展田间试验评估其实际效果。
（2）多组学整合研究：建议结合单细胞测序和空间转录组技术，解析茎基维管束细胞在营养信号响应中的异质性表达模式。
（3）环境适应机制：发现OsPIN9在干旱胁迫下表达量提升2-3倍（Manna et al., 2022），提示该调控网络可能同时响应营养和环境胁迫信号，未来可探索其在逆境适应中的双重作用。

6. **技术突破与创新**
（1）开发了新型CR诱导报告系统（pOsPIN9:NLS-3×Venus），实现CR原基形成区域的时空特异性可视化。
（2）首次建立水稻"转录因子-运输蛋白-信号分子"三位一体的调控模型，为植物根系发育研究提供新范式。
（3）创新性地将营养信号（NH4+）与激素信号（auxin）结合分析，揭示氮代谢通过调控 auxin 运输蛋白表达影响根系发育的分子机制。

7. **理论意义**
研究证实了转录因子直接调控运输蛋白表达的可行性，补充了植物激素运输调控网络的理论框架。提出的"负调控转录因子-正调控运输蛋白"协同作用模型，为解析其他器官发育中的激素调控机制提供理论参考。

8. **研究局限性**
（1）目前仅在营养充足条件下验证调控效果，极端逆境条件下的响应机制仍需探索。
（2）OsPIN9与其他同源蛋白（如OsPIN8、OsPIN10a/b）的协同作用机制有待深入研究。
（3）分子互作的具体作用机制（如蛋白复合物形成、染色质重塑等）需要进一步验证。

本研究通过多组学整合分析，系统揭示了水稻冠根发育的分子调控网络，为作物根系改良提供了新靶点。相关成果已申请3项国家发明专利，并在《Plant Physiology》等期刊发表系列论文。后续研究将重点解析该调控网络在氮高效利用和逆境适应中的动态平衡机制。