多花蔷薇中的一个 NAC 转录因子通过与 RmBZR1 相互作用调节刺硬化过程中的木质素积累

《International Journal of Biological Macromolecules》：A NAC transcription factor in Rosa multiflora regulates lignin accumulation by interacting with RmBZR1 during prickle hardening

　　

• •
  RmPPN1 正向调节次生细胞壁生物合成。
• •
  RmBZR1 负向调节木质素积累。
• •
  外源施用油菜素内酯减少了皮刺中的木质素沉积。
• •
  木质素生物合成基因 PAL1 的表达受 RmPPN1 促进，但受 RmBZR1 抑制。
• •
  RmPPN1 与 RmBZR1 发生物理相互作用，从而缓解其对 PAL1 的抑制效应。

引言

蔷薇科植物的皮刺是尖端尖锐的硬化突起，兼具物理和化学防御功能 [1]。尽管皮刺不含维管组织，但其发育和成熟伴随着木质素和纤维素的沉积，这是次生细胞壁（SCW）的主要成分 [2], [3], [4]。人们普遍认为皮刺硬化与木质素的合成和沉积密切相关 [3], [4], [5], [6]。迄今为止，木质素生物合成已被报道由一组结构基因调节，包括 PAL, F5H, C4H, CAD, CCoAOMT 和 CCR [7], [8], [9], [10]。除这些结构基因外，木质素生物合成还受到转录因子（TFs）的精细协调。例如，进化上保守的 NAC-MYB 基因调控网络对于植物木质素合成至关重要 [11]。有趣的是，几项比较转录组学研究将 NAC 和 MYB 转录因子确定为不同物种中与皮刺发育相关的潜在候选者 [4], [5], [12], [13]。事实上，NAC 转录因子已被广泛报道作为调节草本植物次生细胞壁生物合成和木本植物木材形成的主开关 [14]。例如，一个表征清晰的 NAC 转录因子，XYLEM NAC DOMAIN1 (XND1)，负向调节木质部次生细胞壁形成。在拟南芥中过表达 XND1 导致矮化和木质部次生细胞壁缺陷 [15]。此外，XND1 通过与 RETINOBLASTOMA-RELATED 蛋白 [16] 和 NST1 [17] 相互作用，分别抑制拟南芥中的细胞分化和抑制木质部次生细胞壁生物合成，从而发挥其抑制功能。这些发现突显了调控次生细胞壁形成的复杂调控网络，并引发了关于玫瑰属植物皮刺发育过程中是否存在类似机制的有趣问题。

最近的研究表明，植物激素可能参与皮刺的形成 [18], [19]。在花椒（Zanthoxylum armatum）中，有刺品种的生长素和细胞分裂素浓度高于无刺品种。此外，有刺和无刺花椒之间的 RNA-seq 分析识别出了一组与植物激素信号传导和代谢相关的差异表达基因。这些包括参与生长素途径的基因，如 PINs, ARFs 和 IAAs；细胞分裂素生物合成基因，如 IPT, LOG 和 CKH；以及油菜素内酯（BRs）信号传导基因，如 BAK, BRI1 和 BZR [19]。值得注意的是，BRs 已被确定为参与次生细胞壁形成的关键植物激素 [20]。例如，内源性 BR 水平升高或外源施用 BR 通过促进次生木质部发育，显著增强了树木的木材形成 [21], [22]。此外，改变 BR 信号通路的主转录因子 BZR1 的表达水平，显著影响木质部和韧皮部细胞分化及次生生长 [23], [24]。在梨（Pyrus bretschneideri）中，PbBZR1 通过转录下调木质素生物合成基因来抑制木质素沉积 [25]。因此，探索 BRs 是否在皮刺形成和次生细胞壁生物合成中发挥双重作用至关重要。

对杨树的研究已建立，PtBZR1 可以激活 PtWNDs（WOOD-ASSOCIATED NAC DOMAIN），从而增加木材形成所需的次生细胞壁生物合成基因的表达 [26]。然而，BZR1 同源物与 NAC 基因在木质化皮刺中的功能意义和调控机制，作为研究非维管木质化过程的理想系统，仍不清楚。在我们之前的工作中，R. multiflora 及其无刺变种的转录组分析揭示了 48 个可能控制皮刺发育的候选基因 [4]。其中，一个 NAC 基因，命名为 RmPPN1（prickle-preferentially expressed NAC 1），在皮刺中表现出丰富的表达水平。在此，我们分析了 RmPPN1 在拟南芥中的生物学功能，发现 RmPPN1 的过表达导致转基因植物中次生细胞壁成分的积累。随后，我们通过酵母双杂交筛选鉴定了其相互作用蛋白 RmBZR1。外源施用 BL 及其抑制剂 BRZ 可以显著改变早期幼嫩皮刺中的木质素沉积模式。RmBZR1 的功能表征表明，它通过抑制 PAL1 转录负向调节木质素生物合成。这种抑制可以通过 RmPPN1 和 RmBZR1 的物理相互作用得到缓解。

章节摘要

植物材料

多花蔷薇的盆栽植物在华中农业大学的蔷薇种质库中自然条件下生长。拟南芥（Arabidopsis thaliana, Col-0 背景）被选为转基因宿主。拟南芥种子表面灭菌后，种植在半强度 Murashige 和 Skoog (MS) 琼脂平板上，并放置在 22?°C 下、16?h 光照/8?h 黑暗周期的生长室中培养两周。随后，拟南芥幼苗被移栽

RmPPN1 的表达随皮刺硬化逐渐降低

一个 NAC 结构域转录因子，Rmu_sc0000259.1_g000004.1，作为我们之前转录组分析 [4] 中特别有趣的候选者出现，因为几个 NAC 转录因子已被证明作为调控次生细胞壁生物合成和木材形成的主要调节因子 [14]。时空表达分析表明，Rmu_sc0000259.1_g000004.1 在皮刺中表现出最丰富的表达（图 1a），我们此后将其称为 RmPPN1（prickle preferentially-expressed NAC 1）。在

RmPPN1 通过正向调节 R. multiflora 中的次生细胞壁生物合成参与皮刺硬化

尽管皮刺发育的研究关注度日益增加，但其潜在的分子机制仍知之甚少。在我们之前的调查中，我们鉴定了一个 NAC 转录因子作为皮刺发育的潜在调节因子，随后被命名为 RmPPN1。时空表达谱分析表明，RmPPN1 在伸长阶段于皮刺中表现出最高表达，并在硬化和

CRediT 作者贡献声明

Yu Zhang: 写作 – 原稿，可视化，调查，数据整理。 Junjie Wu: 可视化，数据整理。 Huijia Cao: 可视化，数据整理。 Jiayi Sun: 可视化，数据整理。 Guogui Ning: 监督，概念化。 Wenhan Cheng: 数据整理。 Wei Zhang: 写作 – 审查与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

资助

本研究得到了 国家重点研发计划 (2024YFD1200503) 的支持。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

Yu Zhang|Junjie Wu|Yuzhen Li|Huijia Cao|Jiayi Sun|Guogui Ning|Wenhan Cheng|Wei Zhang