光敏色素互作因子PtoPIF3.1/3.2协同调控毛白杨茎秆伸长与木材形成的分子机制

为解决木本植物次生生长与茎秆伸长协同调控机制不明的科学问题，研究人员以毛白杨(Populus tomentosa)为模型，聚焦光敏色素互作因子PtoPIF3.1/3.2的功能解析。通过CRISPR基因编辑和过表达技术，发现PtoPIF3s通过直接激活生长素合成基因PtoYUC8和细胞扩张基因PtoEXPA1.1/1.2，同时调控形成层分裂标志基因(PtoWOX4/PtoANT)和木质部分化基因(PtoHB7/8)，揭示了PIF3同源基因在木本与草本植物中的功能分化。该研究为林木遗传改良提供了新靶点。

　　

在植物发育生物学领域，树木的次生生长（即木材形成）与茎秆伸长的协同调控一直是未解之谜。与草本植物不同，木本植物需要同时协调纵向生长和径向增粗这两个关键发育过程。虽然前人研究已揭示光敏色素互作因子PIFs在拟南芥中抑制维管发育，但这些转录因子在木本植物中的功能却鲜为人知。特别是在全球木材需求持续增长的背景下，解析调控木材形成的分子机制具有重要理论和应用价值。

中国的研究人员以我国特有树种毛白杨(Populus tomentosa)为研究对象，聚焦其PIF3同源基因PtoPIF3.1和PtoPIF3.2的功能解析。通过构建过表达株系和CRISPR/Cas9基因编辑突变体，结合外源生长素处理实验，发现这两个转录因子通过调控生长素生物合成和信号转导通路，同时促进茎秆伸长和木材形成。该研究成果发表在《Journal of Genetics and Genomics》上，为理解木本植物生长发育的独特调控机制提供了新视角。

研究团队主要采用以下关键技术：利用CRISPR/Cas9系统构建Ptopif3.1和Ptopif3.2双突变体；通过qPCR分析基因时空表达模式；采用染色质免疫共沉淀(ChIP)验证转录因子与靶基因启动子的直接结合；借助生长素缺陷突变体Ptoyuc8进行遗传互补实验；对转基因植株进行表型组学分析，包括茎高、节间长度、木质部厚度等形态指标测定。

【PtoPIF3.1/3.2基因在幼嫩节间发育木质部高表达】

通过qPCR分析发现，PtoPIF3.1和PtoPIF3.2在第2-7节间发育木质部中呈现梯度表达模式，且在形成层区域表达量最高，暗示其可能参与次生生长调控。

【PtoPIF3过表达促进茎秆伸长与木材形成】

过表达株系表现出显著增强的纵向生长（株高增加38-42%）和径向增粗（木质部厚度增加25-30%）。显微结构分析显示转基因植株导管细胞增大、纤维细胞数量增多，且次生细胞壁沉积增强。

【PtoPIF3通过生长素途径调控发育进程】

外源生长素处理可部分恢复pif3突变体的表型缺陷。分子机制研究表明，PtoPIF3s直接结合并激活生长素合成基因PtoYUC8的启动子，同时调控细胞扩张相关基因PtoEXPA1.1/1.2的表达。

【形成层活动与木质部分化的协同调控】

ChIP-qPCR证实PtoPIF3s通过生长素信号级联反应，间接调控形成层分裂标志基因(PtoWOX4、PtoCYCD3s)和木质部分化决定因子(PtoHB7/8)，形成多层次的调控网络。

该研究首次在木本植物中揭示了PIF3同源基因的双重调控功能：既通过激活EXPA1介导细胞扩张促进茎秆伸长，又通过YUC8-生长素信号级联调控形成层活动和木质部分化。特别值得注意的是，PtoPIF3s在杨树中的功能与其在拟南芥中的抑制血管发育作用形成鲜明对比，体现了PIF家族基因在进化过程中的功能分化。这些发现不仅丰富了植物维管发育调控的理论体系，更为林木分子设计育种提供了重要靶标基因。通过精准调控PtoPIF3s的表达水平或活性，有望实现木材产量与质量的协同改良，对林业可持续发展具有重要实践意义。