植物的生物量生产是复杂的，它包括一系列的细胞过程，如细胞分裂和细胞分化，以增加器官的大小，这些过程是由许多基因控制的。鉴定促进木本植物生长的基因，对于提高林业资源的生物量和品质具有重要意义。

北京林业大学李晓娟研究团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题为“PagARGOS promotes low-lignin wood formation in poplar”的研究论文，发现过表达PagARGOS显著促进了杨树的生长，并通过酵母杂交筛选等技术发现了PagARGOS与WAT1相互作用，以增加次生木质部的形成，同时降低茎中的木质素含量。表明PagARGOS在设计具有高生物量和低木质素的木本植物方面具有潜在的应用价值。

酵母文库：84 K 杨树cDNA文库

诱饵蛋白：PagARGOS

筛选方法：酵母双杂交（分离泛素系统）

验证方法：Y2H assay/BiFC

技术路线

1. 过表达PagARGOS可以促进植物生长

为了研究PagARGOS在木本植物生长中的作用，研究者从杂交杨树84 K中克隆了PagARGOS1的cDNA，并与毛白杨、黑杨、84K杨、水稻、玉米、小麦、拟南芥等进行了ARGOS蛋白序列的系统进化比对分析，发现PagARGOS1与AtARGOS和AtARGOS-LIKE同源性最高，并且含有OSR（organ size related）保守结构域。

接着，研究者构建了过表达PagARGOS1的转基因杨树，与野生型杂交杨树84K相比，PagARGOS-OE植株的叶片面积、节间长度和株高的值均明显较高，茎的直径比野生型大2-14%（图1a-e）。节点数量一致，但是过表达株系的第六节长度比WT植株高29-41%（图1b,f,g）。移栽后统计同一培养时间点下植株生物量及株高，PagARGOS-OE均显著高于WT（图1hi）。

图1 过表达PagARGOS促进植物生长

2. 过表达PagARGOS可以促进细胞分裂

研究者通过分析WT植株和PagATGOS-OE植株第5片叶中的细胞形态和数量，发现过表达植株的细胞形态未发生显著变化，但是细胞数量增多（图21-f）。并且对比了两种植株叶源性愈伤组织重量，发现过表达来源的愈伤是野生型的5倍（图2gh)。这些结果进一步表明，PagARGOS基因的过表达促进了细胞分裂，这与叶片生长分析的结果一致。

图2 过表达PagARGOS促进细胞分裂

3. 过表达PagARGOS可以促进植物木质部形成

由于PagARGOS-OE植株的茎增粗，于是接着研究PagARGOS在树木茎的横向生长过程中的作用。研究者通过次级维管组织横截面染色制片观察到，PagARGOS-OE株系的次生木质部细胞层比WT多了5-9层，形成了明显较宽的次生木质部区，与野生型茎相比，PagARGOS-OE株系的形成层细胞层增加了21-39%（图3a-c）。研究者进一步利用GUS检测，鉴定了PagARGOS在杨树不同组织中的表达情况，发现其在整个植株中表达广泛，其中在茎尖、根尖活性最强，并且在形成层和木质部具有高表达。此外，还进一步检测了茎中调控形成层分裂的关键基因的表达水平，发现PagHB4和PagHB7的转录水平显著高于野生型植株（图3de）。这些结果表明，PagARGOS正向调控杨树形成层的活性，促进次生木质部的发育。

图3 PagARGOS增加形成层活性，促进转基因植物的木质部形成

4.PagARGOS参与了木质素含量的调节

通过组织染色观察及一系列生化检测，研究者发现过表达株系杨树中木质素含量降低了5.6-17%，而结晶纤维素含量有所升高（图4）。接着研究者对PagARGOS过表达植株和WT植株进行了转录组测序，比较发现木质素生物合成基因（PagPAL、PagC4H、Pag4CL、PagHCT、PaGH3H、PagF5H、GAGCOMT和PagCAD）在PagARGOS-OE植株中的表达显著低于WT，这些结果进一步证实了PagARGOS参与了调节木质素的生物合成。

5. PagARGOS蛋白与PtrWAT1相互作用

为了阐明PagARGOS调控杨树侧茎发育的分子机制，研究者通过膜体系酵母双杂交筛选84K杨树cDNA文库，鉴定到了与PagARGOS相互作用的蛋白PtrWAT1，并通过mbSUS-Y2H进行了一对一互作验证，证明了PtrWAT1与PagARGOS存在直接的相互作用（图5a）。并通过BiFC进行了互作验证（图5b）。

图5 PagARGOS在体内与PtrWAT1相互作用

6. ARGOS调控WAT1的表达，影响次生木质部的发育和木材的形成

由于WAT1是一种调节局部生长素稳态的生长素转运体，研究者推测ARGOS可能通过与WAT1互作促进次生木质部发育。其中对PagARGOS-OE植株中WAT1表达水平检测，发现显著高于WT，且PagARGOS-OE植株茎中生长素含量比野生型植株茎中高34.8%（图6a)，因而推测PagARGOS通过与WAT1互作，促进生长素积累，进而促进次生木质部形成。为了进一步证实WAT1在杨树次生生长中的作用，研究者还构建了PtrWAT1-OE转基因84 K杨树，与野生型植株相比，过表达WAT1可促进形成层细胞增殖、木质部分化，减少木质素沉积。这些结果与PagARGOS-OE植株的表型和木质素沉积分析结果一致。

图6 ARGOS调节WAT1的表达，影响木质部和木材的形成

研究结论

该研究揭示了PagARGOS通过与WAT1相互作用，调控植株茎中生长素的含量，激活下游生长素反应，最终促进杨树形成层细胞的增殖和木材的形成。研究结果为创制优质高产林木新材料提供了一种可行而高效的新策略。

北京林业大学李晓娟教授为该论文的通讯作者，生物科学与技术学院博士研究生姚小敏为该论文的第一作者。北京林业大学博士研究生张耿、孙仟，中国科学院遗传与发育生物学研究所工程师褚金芳、刘翠梅，中国科学院青岛生物能源所付春祥研究员和北京林业大学林金星教授、荆艳萍教授、钮世辉教授、青年教师张贵芳老师参与了该研究工作。新加坡国立大学Tedrick Thomas Salim Lew教授参与指导了该研究。该研究得到了科技创新2030-重大项目 (2023ZD04057)、国家自然科学基金青年基金 (91954202, 32000483, 32001293, 31871349 and 32170689)、国家高等学校学科创新引智计划 (111项目，B13007)、北京林业大学杰出青年人才培养项目 (2019JQ03003)、第三期新疆科学考察项目 (2022xjkk1200)、中央高校基本科研业务费专项资金(QNTD202305)等项目的资助。