2025年7月，北京林業(yè)大學張德強教授課題組在New Phytologist（IF=8.1）發(fā)表了題為“Phylostratigraphic analysis revealed that ancient ohnologue PtoWRKY53 innovated a vascular transcription regulatory network in Populus"的研究論文。該研究借助DAP-seq技術揭示了全基因組復制（WGD）衍生的古老PS1 ohnologs（尤其PtoWRKY53）通過新功能化創(chuàng)新了楊樹維管轉錄網絡，為木本植物進化發(fā)育提供了新范式。藍景科信為該研究提供了DAP-seq技術支持。

文章主要內容

木本植物次生維管系統(tǒng)的演化是森林生態(tài)系統(tǒng)進化歷程中的關鍵事件，其發(fā)育不僅推動了植物向高大化方向演進，增強了光合效能，還拓展了植物對生態(tài)位的適應范圍。該系統(tǒng)由木質部、形成層和韌皮部構成，兼具器官整合功能與物質高效運輸能力。其中，初生維管組織主要承擔發(fā)育中器官的水分與養(yǎng)分縱向運輸，而次生維管組織則是植物實現徑向生長及木材形成的結構基礎。楊樹作為木本植物研究的模式物種，其次生維管發(fā)育的分子調控機制已得到廣泛解析，但該系統(tǒng)在進化過程中的動態(tài)變化規(guī)律仍有待闡明。

為了確定楊屬植物內基因的進化起源，作者對6個高質量測序的楊屬基因組進行了分析，6種楊屬基因組被分為17個系統(tǒng)發(fā)育層（PS1-PS17），PS1基因占比超51%，是基因組的主要成分?；蚣易寰垲惙治鲲@示，PS1的基因家族發(fā)生了顯著擴張，表明這些古老基因的擴張可能塑造了楊樹進化的遺傳學基礎。

圖 1 楊屬基因組的系統(tǒng)發(fā)育特征

圖 2 不同系統(tǒng)發(fā)育層中基因的結構及進化特征

通過對5種楊樹維管組織（韌皮部/形成層/木質部）進行轉錄組學分析，并計算TAI/TDI及表達偏好指數（EP），結果顯示PS1基因占表達基因的61.55%-66.38%，且在木質部、形成層、韌皮部中均呈現相似的表達水平，但轉錄分化程度差異顯著，且存在組織特異性表達模式。表明PS1基因的特異性表達驅動了楊樹次生維管系統(tǒng)轉錄調控網絡的差異形成。

圖3 楊樹莖維管束組織中表達基因的進化轉錄組圖譜

楊樹次生維管系統(tǒng)轉錄組與共表達網絡（WGCNA）分析顯示，劑量非限制性的PS1 ohnologues（MYB、NAC、WRKY 家族）在木質部存在特異性表達。通過對轉基因材料進行表型分析，結果顯示PtoWRKY53-OE 株系高度降低，莖直徑減少，木質部寬度減少；RNAi 株系則相反。電鏡觀察表明，PtoWRKY53-OE 株系纖維細胞壁變薄，纖維素含量降低；RNAi 株系則相反，證實PtoWRKY53抑制木質部次生壁沉積。

圖 4 楊屬植物維管組織的共表達網絡分析

圖 5 PtoWRKY53 對木質部細胞次生細胞壁發(fā)育的影響

進一步通過DAP-seq探究PtoWRKY53 在木質部發(fā)育中的直接靶標。發(fā)現在下游靶基因的啟動子區(qū)域存在464個共同結合位點。順式作用元件W-box（TTGAC）始終位于每個峰的中心，且在兩個重復實驗中表現出很強的可重復性。差異表達分析結果表明，Potri.016G054900（PtrCESA3）、Potri.004G118700（PtrTPXL5）、Potri.002G254800和Potri.006G047300直接受其調控。已知CESA3在擬南芥中影響纖維素合成，在楊樹中可能發(fā)揮類似作用。這表明PtoWRKY5可能直接調控PtoCESA3的表達。后續(xù)通過雙熒光素酶報告實驗、EMSA和Y1H證實，PtoWRKY53通過結合PtoCESA3啟動子的W-box抑制其轉錄，減少了木質部纖維細胞次生壁的沉積，最終負調控楊樹木質部發(fā)育。

圖 6 PtoWRKY53 負調控 PtoCESA3

本研究發(fā)現，5種楊樹中，35個基因受PtoWRKY53保守調控，其中29個為PS1基因，包括直接靶基因 PtoCESA3、PtoTPXL5等。啟動子分析顯示，PtoCESA3的W-box在楊屬中保守（除胡楊），在擬南芥中缺失，表明PtoWRKY53-PtoCESA3模塊是楊屬的新調控機制。

圖 7 PtoWRKY53 在楊屬植物中形成保守的轉錄調控網絡

該研究揭示了楊樹次生維管發(fā)育調控機制地點演化路徑，系統(tǒng)構建了楊樹維管系統(tǒng)發(fā)育的遺傳調控網絡，深入解析了PtoWRKY53在次生木質部發(fā)育中的功能機制，為深入理解多年生樹木次生維管系統(tǒng)的進化奠定了重要理論基礎。