木材是必需且不可缺的可再生资源，其形成从维管形成层细胞分裂产生新的细胞开始，经历细胞生长分化、细胞壁加厚等连续复杂的发育过程。木材是由各种类型细胞的细胞壁组成的复杂生物材料，其主要性能与细胞壁结构密切相关。挖掘调控木材形成的关键基因，解析木材形成的调控机制，可以为进一步优化木材品质提供更为精准的基因编辑策略与育种思路。
近日，北京林业大学李晓娟教授团队在植物学知名期刊Plant Biotechnology Journal发表了题为 “PagARGOS promotes low-lignin wood formation in poplar” 的研究论文。该研究发现在杨树中过表达PagARGOS 基因，能显著提高杨树的生物量，同时降低次生木质部中木质素的含量。更为重要的是，该研究系统解析了PagARGOS调控杨树次生生长的分子机制。
图1：过表达PagARGOS 增加杨树的生物量、降低茎中木质素含量
研究发现在杨树中过表达PagARGOS，能够促进植株生长 (图1a-c)，植株增高和茎杆增粗。基于转基因植株的细胞形态学分析显示，PagARGOS 过表达促进了维管形成层细胞的分裂增殖，从而促进次生木质部的形成。同时，应用荧光显微镜和受激拉曼散射显微术 (Stimulated Raman scattering microscopy, SRS) 原位分析了细胞壁的组分，结合间苯三酚染色法和乙酰溴化学分析法，发现PagARGOS-OE植株的细胞壁中木质素含量显著减少，纤维素含量升高 (图1d-g)。
为了深入解析 PagARGOS 促进杨树次生生长的分子机制，该团队通过酵母文库筛选鉴定到与 PagARGOS相互作用的蛋白WAT1，并进一步应用双分子荧光互补 (BiFC) 和酵母双杂的方法验证了二者的相互作用。杨树中过表达PagARGOS，会促进WAT1表达量升高。同时，对 WAT1-OE的转基因植株表型分析显示，过表达WAT1同样会调控形成层细胞的增殖，促进次生木质部形成 (图2)。WAT1作为生长素转运载体，负责维持细胞内生长素稳态。进一步对生长素含量检测分析，结果显示 PagARGOS-OE 植株茎中的生长素含量升高。生长素含量的升高进一步促进了其下游木材形成调控基因的表达，从而促进木材的形成。
综上所述，该研究揭示了PagARGOS通过与WAT1相互作用，调控植株茎中生长素的含量，激活下游生长素反应，最终促进杨树形成层细胞的增殖和木材的形成 (图3)。研究结果为创制优质高产林木新材料提供了一种可行而高效的新策略。
北京林业大学李晓娟教授为该论文的通讯作者，生物科学与技术学院博士研究生姚小敏为该论文的第一作者。北京林业大学博士研究生张耿、孙仟，中国科学院遗传与发育生物学研究所工程师褚金芳、刘翠梅，中国科学院青岛生物能源所付春祥研究员和北京林业大学林金星教授、荆艳萍教授、钮世辉教授、青年教师张贵芳老师参与了该研究工作。新加坡国立大学Tedrick Thomas Salim Lew教授参与指导了该研究。该研究得到了科技创新2030-重大项目 (2023ZD04057)、国家自然科学基金青年基金 (91954202, 32000483, 32001293, 31871349 and 32170689)、国家高等学校学科创新引智计划 (111项目，B13007)、北京林业大学杰出青年人才培养项目 (2019JQ03003)、第三期新疆科学考察项目 (2022xjkk1200)、中央高校基本科研业务费专项资金(QNTD202305)等项目的资助。
