ERF194通过淀粉与蔗糖代谢调控杨树叶发育的分子机制及其在自然条件下的表型稳定性研究

为解决ERF转录因子调控杨树叶发育的分子机制不明问题，山西农业大学团队通过多组学关联分析结合DAP-seq技术，发现ERF194通过诱导下游基因HKL1抑制α,α-海藻糖和6-磷酸海藻糖合成，导致叶片增厚但尺寸减小，揭示了SRM1/MYB61-ERF194-HKL1模块调控叶片发育的新机制，为林木遗传改良提供理论依据。

　　

在植物生长发育过程中，叶片作为光合作用的主要器官，其形态结构和功能直接影响植物的环境适应性和经济价值。然而，木本植物尤其是杨树这类重要经济树种的叶片发育调控机制仍存在大量未知领域。ERF（乙烯响应因子）转录因子家族作为植物特有的调控蛋白，虽已知参与多种生理过程，但其在杨树叶发育中的精细调控网络和代谢通路关联尚未阐明。山西农业大学林业学院的研究团队针对这一科学问题，在《Industrial Crops and Products》发表了突破性研究成果，揭示了ERF194通过淀粉和蔗糖代谢通路调控杨树叶发育的分子机制。

研究采用多组学整合分析策略，结合连续三年的自然环境下表型观测。关键技术包括：转基因杨树品系构建（OE和RNAi）、叶片解剖结构分析、RNA-seq转录组测序、非靶向代谢组学、DNA亲和纯化测序（DAP-seq）、酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶报告系统等。特别通过多层次基因调控网络（ML-hGRN）解析了ERF194的上下游调控关系。

研究结果部分：

1. ERF194抑制自然环境下杨树叶表型
   连续三年田间试验发现，过表达ERF194导致植株矮化（株高降低31.2%）和叶片尺寸减小（面积减少28.5%），而RNAi株系与野生型无显著差异，证实ERF194的表型调控具有环境稳定性。

2. ERF194致密化叶片内部结构
   显微观察显示OE叶片厚度增加22.3%，栅栏组织和海绵组织分别增厚18.7%和15.4%，上表皮细胞密度提高1.8倍，表明ERF194促进细胞分裂但抑制扩张。

3. ERF194降低蔗糖含量
   代谢组检测到76种差异代谢物，其中α,α-海藻糖和6-磷酸海藻糖含量下降40%，蔗糖测定显示OE株系含量降低15-37.6%，KEGG富集显著指向淀粉和蔗糖代谢通路。

4. ERF194调控淀粉代谢相关基因
   转录组鉴定2028个差异基因，17个与淀粉代谢相关，包括上调的HKL1（己糖激酶样蛋白1）和FRK1（果糖激酶1），以及下调的SUS3（蔗糖合成酶3）。共表达网络显示这些基因与代谢物变化高度相关。

5. ERF194直接激活HKL1表达
   DAP-seq在全基因组鉴定6127个结合峰，基序分析发现ERF194特异性结合LTRE（YCACCGACMHH）和SORLIP1（CCDCCRCCRCC）元件。双荧光素酶实验证实ERF194通过上述元件激活HKL1启动子（荧光强度提升3.2倍）。

6. 构建多层次调控网络
   ML-hGRN预测SRM1（盐相关MYB1）和MYB61为ERF194上游调控因子，其结合位点存在于ERF194启动子区，形成SRM1/MYB61-ERF194-HKL1级联调控模块。

讨论与结论指出，该研究首次阐明ERF194通过诱导HKL1表达，抑制海藻糖代谢产物积累，进而影响蔗糖含量和细胞增殖/扩张平衡的分子机制。这一发现不仅填补了木本植物叶片发育调控的理论空白，其揭示的"增厚减积"叶片表型（厚度增加35%但面积减少30%）为抗旱树种设计提供了新思路。特别值得注意的是，ERF194对HKL1的调控可能整合了糖信号（HXK依赖途径）与ABA/乙烯应激响应，为理解植物生长-防御平衡提供了关键节点。研究建立的LTRE/SORLIP1元件识别体系为其他ERF因子的功能解析提供了方法论参考，而SRM1/MYB61-ERF194模块的发现则开辟了林木遗传改良的新靶点。