近日，中国农业科学院作物科学研究所景蕊莲研究员、河南农业大学王翔副教授为共同通讯作者，在 Journal of Experimental Botany 杂志（IF: 6.992）在线发表了题为“Wheat SHORT ROOT LENGTH 1 gene TaSRL1 regulates root length in an auxin-dependent pathway”的研究论文，报道了小麦 TaSRL1 转录因子调控根长的分子机制。文章中酵母双杂交文库由欧易生物完成。
研究背景
根系是植物从土壤中吸收水分、养分和感知环境刺激的独特器官。根系结构的优化有助于提高植株的抗逆性和产量。ERF (ETHYLENE RESPONSIVE FACTOR) 是植物特有的转录因子家族之一，与植物的多种发育过程和抗逆性有关。ERFs 在拟南芥和水稻根系发育中的作用已经多有报道，但小麦 ERFs 在根系发育中的作用尚待研究。
研究内容
本研究从小麦中克隆了一个新的 ERF 转录因子基因 TaSRL1 (SHORT ROOT LENGTH 1)，该基因主要在根中表达。TaSRL1 在水稻中的异位表达表现为根短且植株矮小。TaSRL1 调控生长素合成、转运和信号转导相关基因的表达。进一步研究发现，TaSRL1 直接与生长素转运基因 TaPIN2 的启动子结合，诱导其表达，而 TaSRL1 与 TaTIFY9 的相互作用抑制了 TaPIN2 的表达。序列多态性和关联分析表明，TaSRL1-4A 与小麦根深、根角度、株高和千粒重相关。其中根浅、株高矮、千粒重高的单倍型 Hap-4A-2在中国小麦育种进程受到正向选择。
综上，本研究证明了 TaSRL1 在生长素依赖途径中作为 TaPIN2 的直接调控因子，并通过与 TaTIFY9 相互作用，整合生长素和 JA 信号，抑制根的生长。TaSRL1-4A 标记对小麦根系、株形和产量的改良具有重要意义。
研究结果
1. TaSRL1 负调控根生长
从小麦基因组中克隆了 TaSRL1 基因，RT-PCR 显示 TaSRL1 主要在小麦苗期的根中表达。对 TaSRL1 启动子序列进行预测分析，并经过试验证实，其表达受到外源施加生长素的调控。亚细胞定位显示 TaSRL1 主要分布于细胞核中，酵母双杂交实验表明 TaSRL1 具有转录激活活性（图 A-B）。
图 1 | TaSRL1 是一个核定位的转录激活因子
与野生型相比，异位表达 TaSRL1 的水稻表现出根长变短，表明 TaSRL1 对根长起负调控作用。同时转基因植株株高矮小、分蘖减少，表明 TaSRL1 也影响植株发育。RT-PCR 显示，TaSRL1 过表达水稻植株中，生长素合成、转运和信号传导途径相关的基因均发生了改变。
图 2 | TaSRL1 过表达水稻的根长变短
2. TaSRL1 与 TaTIFY9 互作
为进一步研究 TaSRL1 调控根长的机制，通过酵母双杂交文库进行了互作蛋白的筛选，结果显示 TaTIFY9 可以与 TaSRL1 相互作用（下图 A），并通过 Bi-FC、荧光互补实验得以证实（图 B-C）。
TaTIFY9 属于茉莉酸信号途径关键因子 JAZ 家族的成员之一。RT-PCR 显示 TaTIFY9 也主要表达于小麦根部，外源施加茉莉酸可以显著诱导 TaTIFY9 表达。这一结果表明，TaSRL1 可能通过与 TIFY9 结合介导了茉莉酸对根生长的抑制。
图 3 | TaSRL1 与 TaTIFY9 相互作用
3. TaSRL1 直接诱导 TaPIN2 的表达
已有研究表明 ERF 蛋白可以特异性结合到靶基因启动子序列中的 GCC-box 序列。TaSRL1 属于 ERF 家族。在生长素转运基因 TaPIN2 的启动子序列中含有一个 GCC-box 序列。酵母单杂交实验显示，TaSRL1 可以直接与 TaPIN2 启动子结合并激活其表达（图 A），但该激活作用会被TaSRL1的互作蛋白TaTIFY9 所抑制（图 B和C）。
图 4 | TaSRL1 结合到 TaPIN2 启动子
4. TaSRL1-4A 与小麦根深、根角度、株高和千粒重相关
对 32 份高变异的六倍体小麦品系的 TaSRL-4A 编码区和侧翼区进行多态性分析，共鉴定到 3 个 SNPs，构成 2 个单倍型。在 323 个冬小麦品系的群体中关联分析显示，TaSRL-4A 单倍型与根深、根角度、株高和千粒重相关。对 2 个单倍型在中国小麦地方品种中的频率分析显示，根浅、株高短、千粒重高的单倍型 Hap-4A-2 在中国小麦育种过程中得到了正向选择。
研究结论
本研究克隆了小麦的 ERFs 转录因子家族 1 个成员 TaSRL1，它可以调控生长素生物合成、转运和信号转到相关基因的表达，并与生长素转运基因 TaPIN2 启动子序列结合促进其表达，进而抑制根的生长。此外，TaSRL1 可以与 JAZ 蛋白 TaTIFY9 相互作用，破坏 TaSRL1 对 TaPIN2 表达的促进作用。因此 TaSRL1 可整合根生长过程中生长素和 JA 信号，负调控根的伸长。TaSRL1-4A 标记对小麦育种过程中根系、株形和产量的改良具有重要意义。
原文链接：https://doi.org/10.1093/jxb/erab357
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