miR156-SPL模块介导遮荫抑制杨树木材形成的关键机制：细胞分裂素通路的调控作用

在森林高密度种植中，遮荫显著抑制木材形成，但其分子机制尚不明确。西南大学罗克明团队发现，遮荫（低红光/远红光比例）通过上调miR156表达，抑制其靶基因SPL16/SPL23，进而降低细胞分裂素（CK）生物合成基因IPT5a/IPT5b和LOG1b的表达，最终抑制杨树形成层活动和木质部发育。该研究首次揭示了miR156-SPL16/23-IPT5/LOG1-CK信号通路在遮荫响应中的核心作用，为选育耐荫树种提供了关键分子靶标。

　　

论文解读

在茂密的森林和人工林中，树木常因邻株遮荫导致光照不足，木材产量显著下降。这种现象背后存在一个关键矛盾：遮荫虽促进树木增高以竞争光照，却抑制了形成层细胞分裂和木质部发育，但其中的分子调控机制长期未知。西南大学罗克明团队通过整合田间密度试验与分子生物学手段，首次揭示了微小RNA156（miR156）及其靶基因SPL16/SPL23通过细胞分裂素（Cytokinin, CK）通路调控遮荫下木材形成的新机制，相关成果发表于《Cell Reports》。

研究人员采用红光/远红光比例（R/FR）模拟遮荫条件，结合高密度种植实验，通过CRISPR基因编辑构建多种遗传材料，利用组织特异性表达系统、激素定量检测、原位杂交及分子互作验证技术，系统解析了遮荫抑制木材形成的信号通路。

研究结果

1. 遮荫抑制杨树形成层活动与木材形成

田间高密度种植（R/FR=0.62）和人工遮荫处理（R/FR=0.46-0.77）均显著抑制杨树形成层细胞分裂和木质部发育。在6WL+3FR条件下，形成层细胞层数减少20.2%，木质部细胞减少36.6%（图1）。遮荫虽促进茎秆伸长（增高16.8%），但径向生长受阻，表明资源向高度生长倾斜。

2. miR156-SPL16/23模块响应遮荫信号

与草本植物相反，遮荫显著提升杨树茎韧皮部miR156水平（增幅2.1倍），并抑制其靶基因SPL16和SPL23表达（下降60%）。原位杂交显示SPL16/23在形成层和韧皮部射线原始细胞富集（图2）。过表达miR156的转基因株系形成层活动受损，而韧皮部特异性表达SPL16（CLE41b_pro:SPL16△）可缓解遮荫抑制效应。

3. 细胞分裂素介导遮荫抑制效应

遮荫使茎中活性CK（iP型和tZ型）含量下降45%，同时下调CK合成基因IPT5a、IPT5b和LOG1b。IPT5a/IPT5b双突变体形成层细胞减少31%，而韧皮部过表达IPT5b或LOG1b的株系维持高CK水平，显著抵抗遮荫抑制（细胞层数仅减少11.6% vs WT的28.5%）（图5）。

4. SPL16/23直接激活CK合成通路

SPL16/23蛋白通过结合IPT5a、IPT5b和LOG1b启动子的GTAC基序，直接激活其转录。双荧光素酶和凝胶迁移实验（EMSA）证实了SPL16/23对CK合成基因的调控作用（图6）。在spl16/23突变体中引入IPT5b或LOG1b可完全恢复形成层缺陷，证明二者位于SPL16/23下游。

5. PIF3s通过miR156间接调控形成层

不同于经典遮荫回避反应，杨树PIF3.1/3.2通过抑制MIR156表达维持SPL16/23活性，间接促进形成层活动。pif3突变体在遮荫下形成层抑制加剧（细胞减少29%），且miR156水平异常升高。

结论与意义

该研究首次阐明miR156-SPL16/23-IPT5/LOG1-CK信号级联通路在遮荫抑制木材形成中的核心作用（图7）：低R/FR通过提升miR156水平，抑制SPL16/23表达，进而降低CK合成基因活性，最终阻碍形成层增殖。这一发现不仅揭示了树木协调高度生长与径向生长的分子策略，更提供了关键育种靶标——操纵SPL16/23表达或CK合成可培育耐荫高产林种。研究还颠覆了草本植物中"遮荫抑制miR156"的认知，凸显木本植物光信号应答的特殊性，为理解多年生植物环境适应性开辟了新视角。