PLETHORA1/2上游保守非编码序列调控胚胎与根发育的分子机制解析

本研究针对植物发育关键调控因子PLETHORA(PLT)基因的表达调控机制不明的问题，通过多物种基因组学分析和拟南芥功能实验，鉴定出两个深度保守的非编码序列(BOX1/BOX2)，揭示了其通过PLT自调控反馈环路精确控制PLT1/2时空表达模式，协调胚胎发生和根分生组织发育的分子机制，为理解植物发育调控网络的进化保守性提供了新见解。

　　

在植物发育过程中，PLETHORA(PLT)转录因子家族作为调控干细胞维持和器官发生的核心枢纽，其精确的时空表达模式对胚胎发生和根发育至关重要。然而，长期以来科学家们对PLT基因自身的转录调控机制知之甚少，特别是如何通过顺式调控元件实现其精确的表达模式仍是一个未解之谜。这一知识缺口限制了人们对植物发育调控网络进化保守性的深入理解。

荷兰瓦赫宁根大学与研究中心(Wageningen University & Research)的研究团队通过跨物种比较基因组学和功能基因组学方法，在120种被子植物基因组中系统鉴定了PLT基因上游的保守非编码序列(CNS)。研究发现，在双子叶植物PLT1/2基因上游存在两个异常保守的非编码元件BOX1和BOX2，其保守程度甚至超过了编码序列。通过拟南芥模型，研究人员采用CRISPR/Cas9基因编辑、报告基因系统、染色质可及性分析等技术手段，揭示了这两个"超保守"元件通过PLT自调控反馈环路精确控制基因表达的分子机制。该研究成果发表在《Plant Communications》上。

关键技术方法包括：1)基于120种被子植物基因组的比较基因组学分析；2)拟南芥CRISPR/Cas9靶向编辑BOX区域；3)单细胞核ATAC-seq分析染色质可及性；4)PLT2-GR诱导系统结合qPCR验证自调控；5)酵母单杂交验证蛋白-DNA互作；6)双荧光素酶报告系统验证转录激活。

研究结果：
"PLT启动子包含保守和谱系特异性基序"：通过全基因组比对发现21个PLT上游保守元件，其中PLT1/2上游的BOX1(90bp)和BOX2(60bp)在82%双子叶植物中保守存在。

"双子叶植物PLT1/2启动子包含两个深度保守的非编码序列"：BOX1/BOX2在进化上表现出超保守特性，序列相似度高于编码区，且严格保持顺序和间距。

"拟南芥PLT1/2 CNS调控表达并影响根发育"：CRISPR编辑实验显示BOX缺失导致PLT表达量下降2倍，突变体根系生长缺陷表型与plt1 plt2双突变体相似。

"BOX1和BOX2协同控制PLT2细胞特异性表达"：报告基因系统揭示BOX1缺失导致静止中心(QC)和根冠表达缺失，BOX2缺失影响维管束表达，双缺失几乎完全消除表达。

"BOX缺失缺陷始于胚胎发生"：胚胎期表达模式分析表明BOX调控机制在早期发育中已建立，与根尖表达模式具有连续性。

"异常PLT2表达损害发育功能"：互补实验证实BOX2对分生组织维持不可或缺，而BOX1/BOX2在胚胎发育中具有功能冗余性。

"pPLT1/2 BOX区域在分生组织组织中染色质可及性增强"：单细胞ATAC-seq显示BOX1在分生组织细胞中高度开放，提示其作为转录因子结合枢纽。

"BOX1和BOX2作为PLT导向的自调控枢纽"：实验证实PLT通过结合BOX中的ANT样基序形成正反馈环路，基序突变导致表达模式缺陷。

研究结论与意义：
该研究首次系统鉴定了PLT基因上游的保守调控元件，并深入解析了BOX1/BOX2通过PLT自调控反馈环路精确控制基因表达的分子机制。这一发现不仅阐明了植物发育关键调控因子的转录调控原理，还揭示了超保守非编码序列在进化中的功能重要性。特别值得注意的是，BOX1/BOX2的调控功能在从合子到根分生组织的整个发育过程中都具有保守性，这种跨发育阶段的调控机制为理解植物发育程序的连贯性提供了新视角。研究建立的跨物种比较分析框架也为其他植物发育调控因子的顺式调控元件研究提供了范式。