近日，我校生物科學與技術學院康向陽教授團隊在New Phytologist（一區Top）和International Journal of Biological Macromolecules（一區Top）雜志分別發表了題為" MYC2 regulates stomatal density and water use efficiency via targeting EPF2 / EPFL4 / EPFL9 in poplar"，以及"Stomatal density suppressor PagSDD1 is a ‘generalist’ gene that promotes plant growth and improves water use efficiency"的研究論文，研究揭示了 PpnMYC2 影響植物氣孔密度和水分利用效率的分子機制，以及氣孔密度抑制因子 PagSDD1 對植物營養生長和水分利用效率的影響等。
研究表明，氣孔密度受EPF/EPFL家族多個基因的影響，但其上游調控因子尚不清楚。作者利用三倍體楊樹的轉錄組數據進行了TGMI網絡構建，發現 PpnMYC 2與氣孔發育相關基因 PpnEPF 2、 PpnEPFL 4、 PpnEPFL 9存在相關性。過表達 PpnMYC2 楊樹和擬南芥的氣孔密度均顯著降低，且過表達 PpnMYC 2植株具有更高的水分利用效率。轉錄組測序顯示，過表達 PpnMYC 2促進了氣孔密度抑制因子 PagEPF2 和 PagEPFL 4的表達，并抑制了氣孔密度促進因子 PagEPFL 9的表達。酵母單雜交、EMSA、Chip-qPCR和雙熒光素酶報告基因檢測實驗證實了 PpnMYC 2直接調控 PagEPF 2、 PagEPFL 4和 PagEPFL 9影響氣孔密度(圖1-a)。 PpnMYC2 、 PpnEPF2 和 PpnEPFL4 基因在三倍體中表達上調，而 PpnEPFL9 基因表達下調，是三倍體植物氣孔密度稀疏的原因之一(圖1-b)。
圖1 轉錄因子MYC2調控氣孔密度(a)及多倍體氣孔密度降低(b)分子模型
SDD1 作為一個絲氨酸蛋白酶，是氣孔密度抑制因子，迄今未見 SDD1 調控植物營養生長的研究報道。作者發現 SDD1 在三倍體楊樹中頂芽、幼葉、成熟葉中均顯著上調表達，推測 SDD1 除了調控氣孔發生發育外，可能參與調控三倍體楊樹的營養生長。進而在銀腺楊84K中克隆了 PagSDD1 基因，發現過表達 PagSDD1 楊樹、大豆和生菜的葉片氣孔密度顯著降低且氣孔尺寸增大。過表達 PagSDD1 抑制氣孔發育關鍵基因 PagEPF1 、 PagEPF2 、PagEPFL9 、 PagSPCH 、 PagMUTE 和 PagFAMA 的表達，并促進其受體 PagTMM 和 PagERECTA 表達。 PagSDD1 -OE楊樹轉錄組測序表明，與光合速率正相關的 PagLHCB2.1 、 PagGRF5 等基因，以及與細胞分裂分化相關的 PagCYCA3;4 ， PagEXPA8 等基因顯著上調，促進葉片光合作用和生長素以及細胞分裂素的積累以及營養生長。表明 SDD1 是一個兼具調控植物氣孔發生發育以及營養生長和抗逆性的“多面手”基因，過表達可使楊樹、大豆、生菜生物量提高約70%、176%、155%，楊樹葉片水分利用效率提高52%以上（圖2），對于開展兼顧生長和節水目標性狀植物分子設計育種具有重要價值。
圖2 過表達 SDD1 楊樹、大豆、生菜表型變異
生物科學與技術學院博士研究生夏宇飛為兩篇論文的第一作者，康向陽教授為通訊作者。博士研究生江慎秀、舒江海和團隊青年教師杜康，以及中國農科院助理研究員武文琦、中國林科院熱林所助理研究員韓強等參與了相關研究。成果屬于“十四五”國家重點研發計劃課題“林木三倍體高效誘導技術究（2021YFD2200105）”的主要內容。
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.19531，https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129721
