木质素是植物细胞壁中提供机械支撑作用的最主要结构因子之一。前期研究表明，植物激素生长素可能影响了木质素的生物合成。然而，在植物响应机械力时，生长素途径调控木质素生物合成的机制尚不清楚。相对于其他植物，竹子具有很强的机械强度和很强的抵抗弯曲变形能力，为解析这一科学问题提供了很好的研究材料。
2023年10月20日，福建农林大学海峡联合研究院（未来技术学院）朱强教授团队在著名学术期刊New Phytologist发表题为“Auxin response factors fine-tune lignin biosynthesis in response to mechanical bending in bamboo”的研究论文，系统阐明了竹子中生长素信号途径基因直接调控木质素合成途径的分子机制。该研究首先采用了免疫荧光染色和HPLC -MS/MS分析相结合的方法，研究了竹子在弯曲过程中生长素积累的模式，并将其与木质素在相同位置的积累模式进行比对。结果显示，这两者的积累模式相似，且都呈现出在弯曲部位不对称分布的特点（图1）。
图1 生长素与木质素在响应机械力时呈现出相似的不对称模式
通过多种转录组和基因共表达分析方法发现，生长素途径和木质素合成途径相关基因的表达表现出强烈的共表达特性。基于生物信息学分析的结果，筛选出了两个可能在这一过程中起重要作用的生长素调控因子，即ARF3和ARF6 （图2）。
图2 生长素与木质素途径基因的相关性分析。
进一步研究发现，竹子中的ARF3和ARF6作为转录激活子，可直接结合在编码木质素生物合成途径关键酶4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL3, 4CL7和4CL9）和咖啡酰辅酶A O-甲基转移酶（CCoAOMT2）基因的启动子区域，并激活其表达。这种结合能力依赖于生长素的浓度（图3）。
图3 ARF3和ARF6直接调控木质素生物合成基因的表达。
该课题组进一步构建了竹子ARF3和ARF6 过表达及SRDX的转基因植株，发现这两个基因的过表达显著提高了转基因竹子中木质素的积累， 而SRDX转基因株系的愈伤组织中，木质素的含量明显降低（图4）。进一步表明了，ARF3和ARF6是生长素途径中影响竹子木质素的生物合成的关键基因。
图4 ARF3和ARF6的表达水平影响木质素的生物
根据以上数据，研究团队提出了竹子中可能存在的一种生长素途径基因直接调控木质素生物合成的工作模型：生长素信号途径的重要响应因子ARF3和ARF6可以直接结合到编码木质素生物合成途径中关键酶基因4CL和CCoAOMT2的启动子区域，并激活它们的转录水平，促进木质素的合成。当竹子受到机械弯曲时，生长素在弯曲部位呈现非对称的分布模式，外侧的生长素浓度显著高于内侧。高浓度的生长素促进了ARF3和ARF6的转录表达，并提高了这些蛋白与4CL和CCoAOMT2启动子区域的结合效率，从而激活了这些基因的表达，进一步增加了木质素的合成（图5）。先前的研究认为生长素响应因子ARF可能通过调控木质素合成途径MYB-NAC类的转录因子，间接调节木质素的合成。本研究表明生长素途径的基因ARF可以直接调控木质素生物合成途径基因的表达，进而影响木质素的含量。这也为全面认识木质素合成的调控途径也提供了新的见解。
图5 竹子发生机械弯曲是，生长素响应因子调节木质素生物合成的机制
福建农林大学林学院2019级博士生王文佳为论文第一作者，朱强教授为论文通讯作者。朱强课题组的硕士生李义刚， 博士生蔡昌杨也参与了本研究。该研究工作得到十四五国家重点研发计划“竹藤生物质形成的遗传调控机制”项目、福建农林大学林学院/未来技术学院学科建设经费、国家自然科学基金面上项目等的资助。
