近日，我校生物科學與技術學院杜仲育種團隊在International Journal of Biological Macromolecules（一區，TOP期刊，IF=8.2）雜志分別發表了題為"EuHDZ25 positively affects rubber biosynthesis by targeting EuFPS1 in Eucommia leaves"和"Positive regulation of the Eucommia rubber biosynthesis-related gene EuFPS1 by EuWRKY30 in Eucommia ulmoides"的研究論文，揭示了轉錄因子EuHDZ25、EuWRKY30調控杜仲膠合成的分子機制，及其在三倍體杜仲葉片膠含量升高中的作用。
天然橡膠是由高分子的聚異戊二烯組成，包括順式聚異戊二烯和反式聚異戊二烯。自然界中有2000多種植物能夠合成順式膠。而能夠合成反式膠的植物只有杜仲等少數幾種。杜仲的葉片、樹皮和果皮中均含有反式聚異戊二烯（杜仲膠），起硫化后具有良好的橡塑二元性特點，且具有硬度高、熱膨脹/收縮系數較低、絕緣性好、耐酸堿腐蝕等優良特性，在交通、生物醫藥、紡織、航空航天等領域具有巨大的應用潛力。
目前，杜仲膠合成轉錄調控分子機制尚不清楚，而有關杜仲三倍體葉片膠含量變異規律及關鍵基因的轉錄調控機制更未見有研究報道。團隊以前期通過高溫誘導2n雌配子染色體加倍獲得的杜仲三倍體以及二倍體為材料開展研究，發現杜仲三倍體和二倍體葉片膠含量均隨著葉齡的增加而逐漸積累，約60d葉齡后趨于穩定；三倍體杜仲葉片的平均含膠量顯著高于二倍體。進一步利用三倍體和二倍體不同發育階段葉片的轉錄組數據和膠含量表型，構建了WGCNA共表達網絡，發現膠合成途徑中的EuFPS1與膠含量呈極顯著正相關。隨后成功克隆了EuFPS1基因，發現過表達EuFPS1能顯著提高杜仲中的膠含量，證明其在杜仲膠生物合成過程中發揮了關鍵作用，其中轉錄因子EuHDZ25與EuFPS1表達量高度正相關。進一步通過酵母單雜交、雙熒光素酶報告基因檢測實驗和遺傳轉化證實了EuHDZ25是EuFPS1的正向調控因子，EuHDZ25主要通過EuFPS1基因表達調節杜仲膠合成(圖1-A)。同時研究發現，三倍體杜仲葉片中的EuFPS1和EuHDZ25均顯著上調表達，表明杜仲膠生物合成過程中，EuHDZ25及其調控EuFPS1的顯著上調表達可能是三倍體杜仲葉片膠含量增加的原因之一(圖1-B)。研究為進一步探索多倍體次生代謝產物含量變化的分子機制以及杜仲膠資源的開發利用提供了重要的理論依據。
圖1 ：轉錄因子EuHDZ25調控杜仲膠合成(A) 及三倍體膠含量升高(B)分子模型
法尼基焦磷酸合酶（FPS1）是杜仲膠生物合成的關鍵酶，團隊以EuFPS1的啟動子為誘餌，利用酵母單雜交（Y1H）系統從杜仲cDNA文庫中篩選出一個與杜仲膠合成相關的轉錄因子EuWRKY30。研究發現EuWRKY30與EuFPS1有相似的組織表達模式，進一步通過酵母單雜交和雙熒光素酶報告基因檢測實驗證明，EuWRKY30直接與EuFPS1啟動子中的W-Box元件結合，并激活其表達。且EuWRKY30過表達杜仲可顯著增加EuFPS1的表達水平，進一步增加杜仲膠含量。證明轉錄因子EuWRKY30通過正調控杜仲膠生物合成關鍵基因EuFPS1的表達從而促進杜仲膠合成。杜仲三倍體葉片轉錄因子EuWRKY30顯著上調表達，促進杜仲膠生物合成關鍵基因EuFPS1表達，也是杜仲膠含量提高的重要分子機制之一。研究結果為深入解析杜仲膠生物合成的轉錄調控機制以及進一步開展分子設計育種提供了理論基礎。
生物科學與技術學院博士研究生張淑雯為兩篇論文的第一作者，青年教師李赟為通訊作者，康向陽教授對本研究進行了指導。研究生陳浩、徐婷婷、景艷春、夏宇飛、郭銳華、王順和團隊青年教師杜康，以及河南農業大學任勇諭、威縣林木良種繁育基地宋連君高工等參與了相關研究。該項目得到國家自然科學基金項目（32301620）和中央高校基本科研業務費專項資金（BLX202118）的資助。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.131751
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.132707
