禾本科能源草与牧草的地上部营养体产量主要由分蘖数目和单个分蘖的生物量决定。然而分蘖过多会出现植株变矮，茎秆变细等不利表型。类似现象在miR156过量表达的禾本科能饲草柳枝稷中也存在，从而使miR156-SPL模块在进一步提高能饲草生物量的应用中受到限制。针对miR156-SPL模块这种一因多效的特点，青岛能源所能源作物分子育种研究组首先阐明了miR156-SPL模块调控独脚金内酯途径影响柳枝稷分蘖形成的机理（New Phytologist，2022）。近日，研究团队又解析了miR156-SPL模块调控细胞分裂素代谢影响柳枝稷茎秆发育的作用机制，并利用该机制实现了植物株型的分子设计，克服了miR156-SPL模块一因多效对能饲草生物量形成的不利影响。相关研究成果以“miR156-PvSPL2 controls culm development by transcriptional repression of switchgrassCYTOKININOXIDASE/DEHYDROGENASE4”为题，发表在植物学经典杂志《The Plant Journal》上。
研究发现，miR156在柳枝稷中过量表达后，会导致细胞分裂素氧化酶基因PvCKX4发生显著上调。而PvCKX4过量表达的柳枝稷与miR156过量表达的柳枝稷均出现植株矮化和茎秆变细的现象，且iP类型的细胞分裂素含量降低。另外，体外酶活与体内激素测定证明iP类细胞分裂素的降解主要由PvCKX4导致。进一步研究发现，miR156靶标PvSPL2可以直接结合PvCKX4的启动子序列，并抑制其表达。因此作者推测miR156过量表达导致PvSPL2表达下降后，会解除PvSPL2对其靶基因PvCKX4的转录抑制，使PvCKX4的表达水平升高，从而造成iP类细胞分裂素含量的降低，限制了柳枝稷茎秆的发育。最后，作者通过RNAi技术，在miR156过量表达的多分蘖表型植株中，控制溢出的PvCKX4表达水平，实现了分蘖数目与茎秆发育的双重正向调控，获得了生物量提高2.1倍的柳枝稷种质新资源（图1）。该研究为高生物量能源草和牧草理想株型的分子设计提供了重要的理论指导。
图1 miR156-SPL参与柳枝稷茎秆发育的分子调控机制与株型设计
青岛能源所博士后杨瑞娟、副研究员吴振映与扬州大学联合培养博士生孙滢为该论文的共同第一作者，付春祥研究员和刘文文副研究员为共同通讯作者，青岛能源所刘亚君研究员、扬州大学王小山副教授等科研人员也参与了该研究。该工作获得国家自然科学基金、中国博士后科学基金、山东省自然科学基金和山东能源研究院的项目支持。（文/图 杨瑞娟）
文章链接：http://doi.org/10.1111/tpj.16728
Yang,Ruijuan;Wu,Zhenying;Su,Ying;Liu,Yuchen;Hang,Yuqing;Liu,Min;Liu,Yajun;Wang,Xiaoshan;Liu,Wen;Fu,Chunxiang. miR156-PvSPL2 controls culm development by transcriptional repression of switchgrassCYTOKININOXIDASE/DEHYDROGENASE4. Plant journal. 2024.
相关论文和授权专利：
1、付春祥;杨瑞娟;刘文文;吴振映;孙滢;王亚梅;姜珊珊; PvCKX4及miR156-SPL-CKX4分子模块在柳枝稷性状改良上的应用,2023-6-16,中国,ZL202211547738.0
2、付春祥;王亚梅;刘文文;杨瑞娟;白史且;姜珊珊; 柳枝稷SBP-box类转录因子PvSPL6的应用及其重组载体,2023-6-2,中国,ZL202111671083.3
3、Chunxiang Fu;Yamei Wang;Wenwen Liu;Zhenying Wu;Shiqie Bai;Chuan'en Zhou;Ruijuan Yang;Shanshan Jiang;Mengqi Wang; PANICUMVIRGATUM SOSEKIPROTEINSOK2,CODING GENE ANDAPPLICATIONTHEREOF,2024-2-13,美国,US 11897923 B2
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