2024年12月，New Phytologist上发表了一篇题为“Epigenetic regulation of lignin biosynthesis in wood formation”的文章。围绕木材中的主要组成成分、木材转化效率的关键限制因素——木质素，揭示了抑制木质素生物合成的表观遗传机制。这一发现有助于填补杨树木材形成过程中表观遗传调控和木质素生物合成之间的知识空白。
研究背景
木质素是木材中的主要组成成分，占木材生物质的20-30%，是制浆造纸和生物质能源生产中的关键限制因素。木质素的生物合成是通过三个典型的单木质醇单体（对香豆醇、芥醇和丁香醇）的聚合反应来实现的，这一过程涉及到20多个途径酶的复杂网络途径。在遗传层面上，控制这些途径酶基因表达的转录因子（TFs）影响单木质醇的产生，进而影响木质素的生物合成和木材的转化难度。目前对单木质醇基因表达的转录调控已有广泛研究。
表观遗传学在调控植物基因表达中扮演着重要角色。组蛋白的乙酰化和甲基化是调控基因表达的关键修饰方式，其中组蛋白乙酰化在植物多种发育过程中起着至关重要的作用。组蛋白乙酰化和去乙酰化的动态平衡由组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDAs或HDACs）共同调节。HDAs通过与特定的转录因子直接相互作用或作为共抑制因子，来抑制目标基因的表达，进而影响植物的发育过程和对非生物胁迫的响应。但其于木质素生物合成表观遗传机制仍然知之甚少。
本研究特别关注了HDAs在调控木质素生物合成中的作用，尤其是PtrHDA15，它作为一个HDAC，在杨树木材形成过程中通过与关键的木质素形成转录因子PtrbZIP44-A1相互作用，进而影响木质素生物合成基因的表达和木质素沉积。这一发现不仅揭示了表观遗传调控在木质素生物合成中的潜在用，而且为理解木质素形成和木材特性的调控机制提供了新的视角，有助于开发改良木材质量和提高生物质转化效率的新策略。
研究结论
1. PtrbZIP44-A1抑制木质素合成并影响生长
酵母单杂实验（Y1H）分析表明PtrbZIP44-A1能够与PtrCCoAOMT2、PtrCCR2的启动子区域特异性结合（Fig.1a）。作者通过统计35S启动子过表达PtrbZIP44 - A1的转基因植株L1、L3、L4（Fig.1b-f）发现比野生型在生长上有所抑制，其株高、节间数和茎粗等指标明显降低；茎木质部 PtrCCoAOMT2和 PtrCCR2基因表达水平显著降低，同时木质素含量也显著降低。
应用CRISPR-Cas9技术敲除PtrbZIP44-A1基因获得ptrbzip44-a1突变体，与突变体相比，结果显示在ptrbzip44-a1突变体中PtrCCoAOMT2和 PtrCCR2基因表达量大幅提升，木质素含量显著增加，有力证实PtrbZIP44-A1抑制PtrCCoAOMT2和 PtrCCR2基因表达从而影响了木质素生物合成和植物生长（Fig.2）。
2. PtrbZIP44-A1直接结合并调控PtrCCoAOMT2和PtrCCR2基因表达
在序列分析预测PtrbZIP44-A1可能的结合位点基础上（Fig.3a），通过ChIP-qPCR技术，在杨树茎分化木质部（SDX）原生质体中检测了PtrbZIP44-A1与PtrCCoAOMT2和PtrCCR2启动子区域的结合情况（Fig.3b-c），以及EMSA实验（Fig.3d-e）进一步证实了PtrbZIP44-A1通过bZIP家族转录因子的结合基序G-Box（ACGTG）直接结合到PtrCCoAOMT2和PtrCCR2的启动子。此外，为了评估PtrbZIP44-A1对基因表达的影响，作者设计了LUC实验，结果证明了PtrbZIP44-A1显著抑制了PtrCCoAOMT2和PtrCCR2的表达（Fig.3f-g）。
3. PtrbZIP44-A1与PtrHDA15互作显著抑制PtrCCR2和PtrCCoAOMT2的表达
Y2H、BIFC及体外pull-down实验（Fig.4a-g）共同验证了PtrbZIP44-A1与PtrHDA15存在相互作用，并检测到PtrHDA15中有很强的HDAC活性（Fig.4h）。
LUC实验（Fig.5）结果显示PtrbZIP44-A1和PtrHDA15协同抑制木质素生物合成关键基因PtrCCoAOMT2和PtrCCR2。
4. 过表达或敲除PtrHDA15对杨树生长的影响
使用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得ptrhda15突变体，与WT相比，PtrCCoAOMT2和PtrCCR2在4月龄SDX中的表达水平分别提高，木质素含量同步增加；过表达PtrHDA15的转基因植物， PtrCCoAOMT2和PtrCCR2的表达被抑制，木质素含量降低（Fig.6）。以上结果与在功能缺失和功能获得转基因PtrbZIP44-A1中观察到的相似（Fig.1a,2a）表明PtrbZIP44-A1和PtrHDA15在同一调控途径中协同作用，控制PtrCCoAOMT2和PtrCCR2的表达，从而影响木质素的生物合成。
5. PtrbZIP44-A1通过H3K9去乙酰化募集PtrHDA15抑制PtrCCoAOMT2和PtrCCR2
ChIP-qPCR实验（Fig.7a-b）显示在植物体内PtrbZIP44-A1与PtrCCoAOMT2和PtrCCR2启动子结合并招募PtrHDA15。结合之前检测到PtrHDA15中有很强的HDAC活性（Fig.4h），测试组蛋白H3常见位点乙酰化水平，与WT植株相比，结果表明，PtrHDA15显著影响赖氨酸 9 位点（H3K9ac）水平（Fig.7c-e）。
进一步发现，过表达及功能缺失突变体的植株在PtrCCoAOMT2和PtrCCR2基因启动子区域的RNA聚合酶II和H3K9ac的富集水平呈现截然不同的结果，表明PtrHDA15作为表观遗传抑制因子，被PtrbZIP44-A1招募到PtrCCoAOMT2和PtrCCR2的启动子上进行组蛋白去乙酰化修饰（H3K9ac），调控基因表达进而调控木质素的生物合成（Fig.7f-g）。
总结与评论
本研究深入探讨了表观遗传因子PtrHDA15和转录因子PtrbZIP44-A1在杨树木质素生物合成中的作用及其调控机制。不仅增进了我们对木质素生物合成调控网络的理解，而且为未来通过遗传改良提高木材质量和生物质能源转化效率提供了潜在靶点。
原文链接https://doi.org/10.1111/nph.20328IF: 8.3 Q1
编辑：黄聪玉
校对：廖晓利
