木材形成是林木最重要的生物学过程之一，其遗传调控机制复杂。本研究在435株毛白杨（Populus tomentosa）自然群体中，通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定出一个包含158个核心基因的“绿色模块”，该模块与木材形成密切相关。通过模块关联分析，发现PtoDPb1（编码一个DP转录因子）是影响木材特性的关键基因。过表达PtoDPb1导致转基因杨树木材的纤维素含量显著增加52.91%，但纤维长度减少14.34%，纤维宽度增加38.21%。进一步通过共表达分析、RNA测序和表达数量性状核苷酸(eQTN)作图，揭示了一个由PtoWAK106-PtoDPb1-PtoE2Fa-PtoUGT74E2构成的遗传模块负责调控杨树的纤维特性。研究发现PtoDPb1存在两种主要单倍型（Hap1和Hap2），其编码区的非同义突变影响了PtoE2Fa-PtoDPb1和PtoDPb1-PtoWAK106的蛋白质互作效率。其中，PtoE2Fa-PtoDPb1 Hap1复合物对下游靶基因PtoUGT74E2启动子的转录激活活性显著高于Hap2复合物。综上所述，本研究揭示了PtoDPb1等位变异通过调控该遗传模块影响杨树木材纤维特性的分子机制，为林木分子设计育种提供了重要的理论依据和基因资源。

1题目

文章题目：Allelic variations of WAK106-E2Fa-DPb1-UGT74E2 module regulate fibre properties in Populus tomentosa

发文单位：北京林业大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)、加拿大不列颠哥伦比亚大学

2杂志

Plant Biotechnology Journal ；IF=10.5

3链接

Wang D, Quan M, Qin S, Fang Y, Xiao L, Qi W, Jiang Y, Zhou J, Gu M, Guan Y, Du Q, Liu Q, El-Kassaby YA, Zhang D. Allelic variations of WAK106-E2Fa-DPb1-UGT74E2 module regulate fibre properties in Populus tomentosa. Plant Biotechnol J. 2024;22(5):970-986. doi:10.1111/pbi.14239

4检测方法

Norminkoda提供了糖组分靶向检测（葡萄糖，木糖，半乳糖）

5主要内容

本研究采用多组学整合分析策略，系统解析了毛白杨木材纤维特性的遗传调控网络。

1. 关键基因PtoDPb1的鉴定

• WGCNA共表达分析：利用22个杨树维管组织转录组数据，鉴定出12个共表达模块。其中“绿色模块”与糖基转移酶活性和碳水化合物代谢过程显著相关，包含158个核心基因。

• 模块关联分析：在435株毛白杨自然群体中，对158个基因的17,223个SNP进行关联分析。发现PtoDPb1基因的多个SNP与木材特性（综纤维素含量HC）和碳水化合物代谢物（海藻糖-6-磷酸T6P、葡萄糖-6-磷酸G6P）含量显著相关，表明该基因是调控木材形成的核心。

• 单倍型分析：对PtoDPb1基因进行重测序，发现其编码区存在3个非同义突变和1个6-bp的插入缺失(InDel)，构成了两种主要单倍型Hap1和Hap2。群体分析表明，携带PtoDPb1Hap1的单株其综纤维素含量显著高于Hap2单株（高21.15%）。

2. PtoDPb1的生物学功能验证

• 过表达表型：构建PtoDPb1过表达转基因杨树株系。与野生型(WT)相比，过表达株系表现出：

• 纤维素含量显著提高（47.96%-60.33%）

• 木质素含量增加（18.37%-30.04%）

• 半纤维素含量降低（21.61%-22.90%）

• 纤维形态改变：纤维细胞层数增加（20.00%-23.33%），但纤维长度变短（12.09%-16.24%），宽度增加（29.49%-44.33%）

• 转录组分析：对过表达株系进行RNA-seq，鉴定出336个差异表达基因(DEGs)。这些基因显著富集于糖基转移酶/水解酶活性和细胞壁大分子代谢过程等通路，证实PtoDPb1通过调控碳水化合物代谢影响木材形成。

3. PtoDPb1上下游调控网络的解析

• 下游靶基因PtoUGT74E2：通过eQTN作图、EMSA和双荧光素酶报告 assay，证实PtoE2Fa-PtoDPb1异源二聚体能够直接结合到PtoUGT74E2基因启动子的E2F/DP顺式作用元件上（TTTGGCCC），并激活其转录。Hap1复合物的转录激活活性比Hap2高32.27%。

• 上游调控因子PtoWAK106：通过eQTN作图和蛋白互作实验（Y2H, BiFC, LCI），发现细胞壁关联激酶PtoWAK106是PtoDPb1的上游调控因子。PtoWAK106与PtoDPb1 Hap1的互作效率比与Hap2高37.02%。

• 等位变异的影响：PtoDPb1编码区的氨基酸变异（Met223Val, Asn240Lys, Val246Ala）位于其二聚化结构域(HD)，这些变异降低了PtoDPb1 Hap2与PtoE2Fa和PtoWAK106的蛋白互作效率，从而削弱了对下游靶基因的调控能力。

4. 遗传模块的功能整合

研究最终提出了一个完整的级联调控模块：PtoWAK106 → PtoDPb1 → PtoE2Fa → PtoUGT74E2。

• PtoWAK106（上游信号感知）通过增强PtoE2Fa-PtoDPb1复合物的稳定性来正调控该模块。

• PtoE2Fa-PtoDPb1异源二聚体（转录激活复合物）直接激活下游糖基转移酶基因PtoUGT74E2的表达。

• PtoUGT74E2最终通过影响纤维素生物合成来决定木材的纤维特性。

• PtoDPb1的等位变异（Hap1 vs Hap2）通过影响复合物的形成效率和转录活性，成为调控网络中的关键节点，最终导致群体中木材性状的自然变异。

5、主要结论

1. 发现关键基因：PtoDPb1是调控杨树木材纤维特性的核心基因，其过表达能显著提高纤维素含量并改变纤维形态。

2. 解析调控模块：首次在林木中解析了一个完整的四级遗传调控模块PtoWAK106-PtoDPb1-PtoE2Fa-PtoUGT74E2，该系统级联调控木材纤维的形成。

3. 揭示变异机制：PtoDPb1基因的等位变异（非同义突变）通过影响其与上下游蛋白（PtoWAK106和PtoE2Fa）的互作效率和转录激活活性，最终导致木材性状的自然变异。

4. 提供育种资源：鉴定出的优良单倍型PtoDPb1Hap1及其完整的调控通路，为杨树分子设计育种提供了宝贵的基因资源和理论依据。

6总结

研究亮点与价值

• 多组学整合：巧妙地将WGCNA、群体遗传学、转录组学、eQTN作图和分子生物学实验相结合，从关联分析到机制验证，形成了完整的证据链。

• 机制深入：不仅找到了关键基因，更深入揭示了其上下游调控网络，从信号感知（WAK激酶）到转录调控（E2F/DP复合物），再到终产物合成（UGT糖基转移酶），解析了完整的信号通路。

• 发现等位效应：深入探究了自然变异中非同义突变对蛋白质互作效率的具体影响，将基因型差异与表型变异精准地联系了起来，具有重要的群体遗传学意义。

• 应用潜力巨大：PtoDPb1Hap1优良单倍型及整个调控模块的发现，为通过基因编辑或标记辅助选择培育高纤维素含量、优质纤维的杨树新品种提供了直接靶点和解决方案，对林业生产具有重要应用价值。

本研究是一项系统性的林木功能基因组学工作的典范。它从自然群体的表型变异出发，利用多组学数据挖掘到关键基因，并通过严谨的分子生物学实验揭示了其上下游调控机制，最终阐明了PtoDPb1等位变异调控木材纤维特性的分子机理。研究成果不仅具有重要的理论意义，也为林木的遗传改良提供了强大的工具和资源，凸显了基础研究指导育种实践的巨大价值。

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