唐宁教授课题组在Plant Cell上发文揭示植物根系导水率和抗旱调控新机制

干旱胁迫严重威胁农业生产和粮食安全。在植物抵御干旱胁迫的过程中，根系作为水分吸收的主要器官具有不可替代的功能。根系的水分吸收效率不仅受其外部形态特征影响，更与内部的水分输导性能（即根系导水率，root hydraulic conductivity，Lp_r）直接相关。具体而言，根系水分运输包含两个关键过程：从土壤到根中柱的径向运输以及通过木质部导管进行的轴向运输。然而，有关根系导水率调控机制的研究仍十分有限。

近期，河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室唐宁教授团队在植物学领域顶级期刊《The Plant Cell》发表最新研究成果。该研究论文题为“The transcription factors DOF4.6 and XND1 jointly regulate root hydraulics and drought responses in Arabidopsis”，基于全基因组关联分析锁定的关键基因XND1（XYLEM NAC DOMAIN 1），深入解析了该基因调控植物抗旱性的作用机制。研究发现，XND1通过与DOF4.6转录因子的相互作用，协同调控根系木质部发育和水孔蛋白功能，进而影响植物的水分运输效率和抗旱性。

具体而言，该研究通过互作蛋白筛选鉴定转录因子XND1与DOF4.6之间存在相互作用，并进一步揭示两者负调控根系水分运输和干旱响应过程。深入研究表明，XND1和DOF4.6协同调节下游基因的表达，从而抑制根部木质部的形成（图1）。DOF4.6能够显著增强XND1与木质部发育相关的半胱氨酸蛋白酶基因XCP1启动子的结合能力，从而抑制XCP1的表达水平，对木质部发育进程产生影响。值得注意的是，DOF4.6还具备独立于XND1的调控功能，通过直接抑制水孔蛋白PIP2;5和PIP2;6的表达，对水分径向运输发挥潜在的直接调节作用。

图1.XND1和DOF4.6负调控根系木质部形成、导水率和抗旱性

综上所述，XND1-DOF4.6互作模块通过协同调节木质部介导的轴向运输和水通道蛋白介导的径向运输途径，负调控水分运输和抗旱性（图2）。一方面，DOF4.6 通过与XND1互作增强XND1与木质部相关靶基因的结合，从而抑制木质部的形成。另一方面，DOF4.6可直接抑制水孔蛋白的表达，从而影响水分运输和抗旱性。该研究首次阐明了根系水分轴向和径向运输途径的协同调控机制，为植物根系导水率和抗旱调控机制提供了新的认识，为作物抗旱遗传改良提供理论依据。

图2.转录因子DOF4.6与XND1互作调控根系水分运输

河南大学博士研究生丁炳莉为该论文第一作者，河南大学国重实验室唐宁教授为该论文通讯作者。法国国家科学研究中心/法国科学院Christophe Maurel院士、武汉大学侯昕教授、信阳师范大学石亚飞博士以及河南大学国重实验室闫大伟教授、黄榆普博士为该论文提供了重要指导和帮助。河南大学硕士生梁梦瑜、张润灵以及博士生王晶晶为该论文做出了重要贡献。河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室和生命科学学院为该研究提供了重要支持。该研究得到国家自然科学基金、河南省自然科学基金、河南省科技研发计划联合基金、河南大学杰出人才特区支持计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf083