高粱茎秆发育的阶段特异性基因调控网络分析揭示发育重编程及基因稳健表达模式

本研究针对高粱茎秆作为生物能源主要储存器官但其特异性表达基因及调控机制尚不明确的问题，通过整合多组学数据与实验验证，系统鉴定了高粱茎秆特异性表达基因及其调控网络，发现SbTALE03和SbTALE04等核心转录因子在茎秆发育中起关键作用，为高粱茎秆生物量改良提供了重要靶点和调控工具。

　　

作为耐旱、耐热的C4作物，高粱因其深根系特性和低投入需求，在边际土地上表现出卓越的生产潜力，成为生物燃料、生物能源和生物聚合物生产的重要原料。高粱茎秆可长达4-5米，占植株总生物量的80%，既是木质纤维素生物质的主要储存场所，也积累大量可溶性糖分，因此被视为极具前景的生物能源原料。尽管近年来遗传学、基因组学和转录组学资源的快速发展提升了我们对高粱生物学的理解，但全基因组范围内对不同器官类型和发育阶段功能动态的综合分析仍然有限。特别是茎秆偏好表达基因及其相关的顺式调控元件，这些可能编程关键茎秆相关功能并实现器官或组织特异性工程化的候选基因，尚未被系统识别。

为此，研究人员重新分析已发表的RNA-seq数据集，旨在识别器官偏好表达基因并推断主要发育阶段的代表性器官功能。分析发现，高粱茎秆表现出独特的时序功能特征，这些特征与茎秆特异性基因及其相关调控元件的发育动态密切相关。研究进一步鉴定了一组在不同高粱基因型中普遍存在的茎秆特异性表达基因，表明它们具有普遍重要性及广泛的遗传工程应用潜力。其中，SbTALE03和SbTALE04作为茎秆枢纽转录因子脱颖而出，这两个基因在不同发育阶段的茎秆特异性均经过实验验证。基因调控网络分析进一步表明，这些转录因子参与维持和调控茎秆发育的阶段特异性转录程序。

本研究首次在全基因组水平分析了高粱器官特异性基因表达、功能及调控网络，重点关注茎秆偏好表达基因及其启动子 motif，鉴定了一组跨基因型和发育阶段普遍表达的核心茎秆特异性基因，包括两个经实验验证的、可能参与茎秆发育的转录因子，为高粱茎秆生物量和组成的遗传改良提供了宝贵候选靶点。该成果发表于《BMC Plant Biology》。

研究采用的主要技术方法包括：利用McCormick等已发表的RNA-seq数据（NCBI SRA登录号SRA558272、SRA558514、SRA558539），涵盖高粱BTx623基因型5个发育阶段（幼年期、营养生长期、花起始期、开花期、籽粒成熟期）的茎、叶、根、种子器官样本；应用Tau指数评估基因器官特异性；通过WGCNA构建共表达网络并识别器官重要模块；采用JASPAR数据库和MEME suite进行motif富集分析；结合PlantPAN4.0预测转录因子结合位点并整合共表达关系构建基因调控网络；使用RNAscope原位杂交技术验证基因表达空间分布；通过系统发育分析、蛋白质纯化和EMSA实验验证转录因子与DNA互作。

Identification of sorghum organ-specific genes

通过主成分分析发现，样本按器官类型的聚类明显强于按发育阶段，表明器官特异性转录组动态是驱动功能分化的主要因素。Tau指数分析显示，每个发育阶段有21-23%的表达基因具有高器官特异性（Tau≥0.8），其中93%的基因位于与特定器官显著相关的WGCNA共表达模块中。茎秆特异性基因数量显著少于叶和根，仅占叶特异性基因的24-62%，这与茎秆分生组织起源和细胞层贡献差异一致。功能富集分析揭示，茎秆主要与防御和运输过程相关，叶片与光合作用相关，根与细胞壁组织、硫化和谷胱甘肽代谢相关，种子与蛋白质寡聚化、应激反应和脂质储存相关。

Dynamic expression of stem-preferred genes during plant development

茎秆偏好表达基因的功能随发育阶段动态变化：幼年和营养阶段富集于发育调控和应激响应过程，如茎尖分生组织发育、叶片发育和茉莉酸响应；花起始阶段与乙烯生物合成和细胞壁重塑通路相关，支持茎秆快速伸长；开花和籽粒成熟阶段则与铁、磷酸盐转运及细胞内离子调控相关，反映茎秆在长距离运输和养分再分配中的作用。

Stem-specific gene expression in diverse sorghum genotypes

鉴定出23个在所有发育阶段均表现茎秆特异性表达的基因，其中70%（16/23）在约73%的基因型-阶段组合中保持茎秆特异性，7个基因在所有基因型和阶段中一致表达。这些基因包括TALE家族转录因子（SbTALE03、SbTALE04）、WRKY和bZIP家族成员，以及参与细胞壁修饰和信号转导的基因，表明它们在维持茎秆身份和功能中的核心作用。

Characterization of stem specific expression of SbTALE03 and SbTALE04

SbTALE03和SbTALE04编码同源域TALE转录因子，系统发育分析显示它们分别与玉米ZmTALE12和ZmTALE11直系同源。表达分析证实它们在茎顶端组织、节丛、节间和居间分生组织中特异性表达，而在叶片和根中几乎不表达。细胞类型转录组显示，SbTALE03在髓薄壁细胞中差异表达，SbTALE04在髓薄壁细胞、韧皮部、维管薄壁细胞和维管厚壁细胞/纤维细胞中表达。RNAscope原位杂交进一步验证了它们在茎中的高表达量和发育动态，与RNA-seq结果一致。

Motif analysis of organ-specific gene promoters

顺式调控元件分析发现，器官特异性基因启动子中富集的已知motif主要位于ATG起始密码子上游约100-300 bp区域。茎秆特异性启动子中富集的已知motif数量少于其他器官，且多数为阶段特异性。de novo motif发现鉴定出19个（53%）与已知motif相似性低（PCC<0.48）的新motif，可能代表未被数据库收录的茎秆特异性调控元件。

Regulatory networks of stem hub transcription factors

共识别出84个茎秆枢纽转录因子，其中SbTALE03和SbTALE04是唯一在两个发育阶段均被分类为茎秆枢纽的TF。基因调控网络显示，在早期发育阶段，它们参与维持分生组织细胞身份和抑制细胞壁分化；在生殖生长阶段，SbTALE04主要调控细胞间通讯和防御响应，SbTALE03则与激素生物合成和膜脂信号传导相关。EMSA实验验证了SbTALE03与7个预测靶启动子中的6个发生物理结合，支持调控网络的可靠性。

研究结论强调，高粱茎秆特异性基因表达受发育阶段动态调控，SbTALE03和SbTALE04作为核心调控因子参与分生组织维持和茎秆成熟过程的转录重编程。启动子 motif分析揭示了茎秆特异性调控元件的位置偏好和新颖性，为设计茎秆特异性表达载体提供了分子工具。基因型间表达一致性表明这些候选基因在多种高粱背景中具有普适性，对于改良生物能源高粱的茎秆生物量和成分具有重要意义。未来研究需结合染色质水平数据（如ChIP-seq、ATAC-seq）进一步验证调控互作，推动高粱茎秆工程化应用。