生长素诱导大麦冠根形成过程中基因表达的时序调控机制与转录因子网络解析

本研究通过建立冠根诱导系统（CRIS），结合转录组学（RNA-seq）、染色质可及性分析（ATAC-seq）和DNA亲和纯化测序（DAP-seq）技术，揭示了大麦（Hordeum vulgare）响应生长素刺激后24小时内基因表达的动态变化规律。研究发现HvNAC013和CBF12C转录因子通过调控下游靶基因参与冠根起始（CRI）和逆境响应，为禾本科作物根系构型改良和抗逆育种提供了新靶点。

　　

在禾本科作物中，冠根（crown roots, CR）构成纤维状根系的主体，其发育直接影响水分和养分吸收效率。虽然水稻中冠根起始（CRI）的调控机制已有较多研究，但大麦等其它谷物可能存在独特的适应机制。目前对CRI早期分子事件的认知仍存在两大瓶颈：一是自然条件下冠根发生时间难以精确捕捉；二是染色质动态与转录因子网络的协同调控机制不明。

捷克先进技术与研究院（CATRIN，Palack University Olomouc）的Nikola Koinkova团队在《Plant and Cell Physiology》发表研究，通过建立冠根诱导系统（CRIS）克服时序难题，结合多组学技术揭示了大麦CRI的分子图谱。研究人员发现生长素处理6小时后差异表达基因数量达到峰值（936个上调/956个下调），其中HvCRL1和HvCRL1L1等已知调控因子持续高表达。ATAC-seq显示启动子区染色质开放程度与基因激活显著相关，如HvWOX11的3'-UTR区域在3小时即出现差异可及区域（DAR）。关键发现是HvNAC013（OsNAC39同源物）通过结合TTGCTT motif调控CBF12C（属于CBF/DREB1亚家族）等靶基因，二者在盐胁迫下呈现相反表达模式，暗示其在环境适应中的双重功能。

关键技术包括：（1）CRIS系统通过NPA阻断生长素运输后诱导同步化CRI；（2）RNA-seq分析0-24小时转录动态；（3）ATAC-seq检测染色质开放区域；（4）DAP-seq鉴定HvNAC013/CBF12C结合位点；（5）qPCR验证胁迫响应表达模式。

主要结果

CRIS系统揭示激素互作网络

生长素处理3小时即诱导HvIAA28等抑制因子表达，HvGH3-7（参与生长素稳态）持续上调。赤霉素失活酶HvGA2ox6a的激活暗示赤霉素降解是CRI必要条件，与水稻OsPLT1通过激活生长素合成基因的机制相呼应。

染色质重塑驱动基因激活

26,319个组成型开放区域中，9小时出现最大染色质可及性变化，与组蛋白乙酰转移酶富集时段吻合。HvIAA28基因座3.5kb区域的开放程度与其表达正相关，而细胞壁重构酶XTH基因附近DAR的关闭伴随其表达抑制。

HvNAC013-CBF12C调控模块

HvNAC013在胁迫中稳定表达，其结合位点富集于HvCRL5（AP2/ERF家族）等发育相关基因启动子。CBF12C在6小时表达峰值时结合HvCRL1下游增强子区域，其识别的TGCCGACAT motif与低温响应元件CRT/DRE核心一致。

讨论与意义

该研究首次绘制了大麦CRI的时空基因调控图谱，揭示NAC和AP2/ERF转录因子通过整合生长素信号与环境刺激来协调根系发育。HvNAC013对CBF12C的调控关系为作物抗旱/耐盐育种提供了新思路，而CRIS系统可作为标准化平台加速根系研究。未来需验证这些转录因子在田间条件下的功能保守性，并探索其与已知通路（如WOX11-JMJ706）的交叉调控。