苹果MdWOX11转基因微芽中苹果酸与激素信号互作调控不定根形成的分子机制

为解决苹果不定根(AR)形成效率低下的产业瓶颈问题，研究人员以MdWOX11过表达转基因苹果微芽为材料，系统研究了苹果酸(MA)处理对AR形态建成及生理分子机制的影响。研究发现中等浓度MA(2 g·L-1)显著促进AR伸长，MdWOX11-OE株系表现出更高的IAA水平和更低的JA-me含量，RNA-seq鉴定到4104个差异基因(DEGs)，显著富集于植物激素信号转导和淀粉代谢通路。该研究首次揭示了MA通过调控激素平衡和代谢重编程促进苹果不定根形成的分子机制，为苹果砧木高效繁育提供了新策略。

　　

在苹果产业中，高效的无性繁殖技术是保障优质砧木大规模生产的关键。然而，不定根(Adventitious Root, AR)形成效率低下始终是制约苹果微繁殖的瓶颈问题。传统研究多聚焦于生长素等单一激素的调控作用，而对苹果酸(Malic Acid, MA)这类天然有机酸在AR形成中的作用机制知之甚少。更令人困惑的是，即便使用外源激素处理，不同苹果品种的扦插生根率仍存在显著差异，暗示着遗传背景与代谢调控的复杂互作。这些悬而未决的问题，促使西北农林科技大学的研究团队将目光投向MdWOX11转基因材料与MA处理的协同效应，试图破解苹果不定根形成的调控密码。

研究人员采用RNA-seq转录组测序、酶联免疫吸附测定(ELISA)和石蜡切片等关键技术，以GL3野生型(WT)和MdWOX11-OE转基因苹果微芽为材料，设置0/1/2/3 g·L^-1 MA梯度处理。通过30天表型观测确定最适浓度后，在0/3/8/16天四个时间点采集样本，系统分析了AR形态建成、内源激素动态及基因表达谱变化。

3.1. MA处理对AR形态的影响

预实验发现对照组的AR数量最多，但中等MA浓度(2 g·L^-1)显著促进AR伸长。MdWOX11-OE株系在AR数量和长度上均优于WT，尤其在中等MA处理下表现最佳，而高浓度MA(3 g·L^-1)对WT产生明显抑制。这一现象首次揭示MA与MdWOX11存在协同效应，2 g·L^-1可能是诱导AR伸长的最适浓度。

3.2. 形态与解剖学观察

时间进程实验显示，MdWOX11-OE微芽在第8天即出现更多AR原基，这与形成层细胞有丝分裂活性增强相关。石蜡切片显示MA处理加速了细胞重编程进程，证实MdWOX11通过促进原基形成提高生根效率。

3.3. 内源激素测定

ELISA检测发现MdWOX11-OE中吲哚-3-乙酸(IAA)水平持续高于WT，而茉莉酸甲酯(JA-me)则呈现相反趋势。玉米素核苷(ZR)、脱落酸(ABA)和赤霉素3(GA₃)在诱导期(3天)含量升高，暗示这些激素可能共同参与AR启动的调控网络。

3.4-3.5. 转录组与功能分析

RNA-seq鉴定到4104个差异表达基因(DEGs)，GO分析显示"应激响应"和"转录调控"等通路显著富集。KEGG分析突出呈现植物激素信号转导(203 DEGs)和淀粉代谢(85 DEGs)两大核心通路，其中MAPK信号通路基因占比最高，提示MA可能通过激酶级联反应调控AR形成。

3.6. 激素通路DEGs表达模式

深入分析发现：

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  生长素通路中AUX/IAA1-9、ARF1-2上调，而AUX1a下调；

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  细胞分裂素(CK)信号转导元件CRE、APH普遍下调；

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  茉莉酸(JA)通路关键转录因子MYC2在WT中高表达；

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  油菜素内酯(BR)受体BAK1a-d和BRI1a-d特异性上调。

  这些结果与激素测定数据相互印证，揭示MdWOX11通过重塑激素平衡创造促根微环境。

3.7. 淀粉代谢调控

16个淀粉合成酶(SS)基因呈现差异表达，其中SS3/6-10/16上调，可能为AR形成提供能量支持。这与前人关于蔗糖有效性影响AR数量的发现相呼应。

这项发表于《Horticultural Plant Journal》的研究首次阐明MA通过"激素-代谢"双途径调控苹果不定根形成的分子机制。研究发现中等浓度MA(2 g·L^-1)与MdWOX11协同促进AR伸长，其核心在于：1) 提高IAA/ZR水平并抑制JA-me信号；2) 激活ARF-SAUR生长素响应通路；3) 重编程淀粉代谢提供能量支持。这些发现不仅为理解木本植物器官发生提供新视角，更重要的是，通过MA处理与遗传改良相结合的策略，可显著提高苹果砧木繁殖效率，对推动苹果产业高质量发展具有重要实践价值。未来研究可进一步探索MA与其他植物生长调节剂的协同效应，以及MdWOX11下游靶基因的网络调控关系。