水稻束鞘细胞特异性表达的转录因子协同调控机制解析

本研究揭示了水稻束鞘细胞特异性基因表达的分子机制，通过系统分析硫氧还蛋白还原酶(SiR)启动子的顺式调控模块(CRM)，鉴定出WRKY/G2-like/MYB-related/DOF/IDD/bZIP六类转录因子组成的协同调控网络。该81bp的CRM与核心启动子Y-patch协同作用，可在单子叶和双子叶植物中保守地驱动束鞘特异性表达，为C4光合作用工程化提供了重要工具。

　　

在植物进化过程中，束鞘细胞作为叶片中独特的结构单元，不仅参与水分运输和硫氮代谢，更在C₄植物中演化为光合作用的关键场所。然而，这一重要细胞类型的基因调控机制在主要粮食作物水稻中始终未获阐明。剑桥大学植物园的研究团队在《Nature Communications》发表的研究，通过解析硫氧还蛋白还原酶(SiR)启动子的调控逻辑，首次揭示了单子叶植物束鞘特异性表达的分子开关。

研究采用激光显微切割RNA-seq筛选束鞘高表达基因启动子，结合Golden Gate克隆系统构建系列缺失体。通过荧光报告基因(GUS/mTurquoise2)时空表达分析、酵母单杂交筛选、原生质体反式激活实验等技术，系统鉴定了关键调控元件及其互作转录因子。

SiR启动子驱动束鞘强效表达

通过比较25个候选启动子，发现SiR启动子(-2571至+42)具有最强的束鞘特异性，其活性比已知C₄植物Zoysia japonica PCK启动子高36%，且早在叶龄P3期即启动表达。dTALE-STAP系统可将其活性提升18倍，证实其工程化潜力。

远端CRM的必要性与复杂性

5'截断实验锁定-980至-394区域为束鞘表达必需区。精细缺失图谱显示该区域包含四个功能亚区(a/b/d/f)，其中a/d/f缺失导致表达模式紊乱，而-829至-700区域具有抑制叶肉表达的沉默功能。核心启动子分析发现，TC富集的Y-patch(而非TATA-box)是束鞘定位的关键元件。

六转录因子协同调控机制

通过酵母单杂交和共表达网络，鉴定出WRKY121、GLK2(G2-like)、MYBS1、IDD2/3/4/6/10和bZIP3/4/9/10/11等转录因子构成调控枢纽。实验证实：

• WRKY121和bZIP9在叶肉异位表达可激活CRM

• IDD2具有抑制功能但与bZIP9协同可解除抑制

• 六因子组合在叶肉完全重建束鞘表达模式

• 突变分析显示除WRKY外，其余因子结合位点均显著影响活性

通用型调控模块的发现

将CRM重复串联并与含Y-patch的核心启动子(PIP1;1)组合，活性提升224倍。该模块在拟南芥中仍保持束鞘特异性，表明其在被子植物中具有深层保守性。基因组分析发现283个基因同时含有Y-patch和CRM六联体，其中21个为束鞘优势表达基因，包括与硫代谢相关的ferredoxin和EIL2/3等转录因子。

这项研究首次在单子叶植物中解析了束鞘特异性表达的顺式调控密码，其揭示的"CRM-Y-patch"模块具有三大突破性价值：

1. 理论层面：发现不同于拟南芥MYC-MYB双因子模块的新型六因子协同机制，拓展了对植物细胞特异性调控的认知；

2. 技术层面：提供可编程的合成启动子设计策略，通过CRM寡聚化和核心启动子替换实现表达强度的精准调控；

3. 应用层面：为C₄水稻工程化提供关键工具，通过重编程束鞘细胞转录网络，有望实现50%的光合效率提升。

该研究建立的调控框架不仅适用于光合作用改造，还可拓展至水分运输、逆境响应等多个农艺性状的精准调控，为作物设计育种提供了新的分子操作范式。