揭示调控植物侧枝形成新机制（2020.4.4 Plant Biotechnology Journal）

植物的顶端优势和侧枝发育在植物形态建成中扮演重要角色，开花植物形态的多样性主要取决于植物地上部侧枝的数量、位置和形状。除了影响高度、伸展度等形态指标，植物分枝还会影响营养器官的生长和生殖生长位点的产生，从而增加生物量和结实量，因此植物的分枝习性是一项重要的基础研究。植物的侧枝起源于叶轴的腋生分生组织（AM），在合适的条件下，植物侧枝发育主要包括2个过程：腋生分生组织起始，在叶腋处分化形成侧芽;腋芽伸长形成侧枝。

植物的侧枝发育受遗传因子、环境因素、内源激素等多方面的调控。研究发现生长素和独角金内酯负调控腋芽的生长，而细胞分裂素可促进腋芽的生长。另外，一些转录因子可以影响腋生分生组织的形成，从而影响植物侧枝的形成，例如番茄中的LS、拟南芥中的LAS、水稻中的MOC1可调节腋生分生组织的起始;MYB转录因子LOF1、LOF2和HD-ZIPIII转录因子REVOLUTA会影响包括腋生分生组织起始在内的多个生长发育过程。虽然已鉴定到许多因素可调控植物侧枝发育的不同阶段，但是具体的分子调控机制还有待深入研究。

近日，知名期刊PLANT CELL在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所李云海团队一篇题为“Control of Plant Branching by the CUC2/CUC3-DA1-UBP15”的研究论文，介绍了CUC2/CUC3-DA1-UBP15综合调控拟南芥腋生分生组织起始，进而调控侧枝发育的分子机制。

以往研究表明，在腋生分生组织起始阶段的基因调控网络中，CUC2和LAS位于调控网络的中心位置。其中CUC2蛋白可直接与LAS的启动子结合并激活其表达。DA1作为一种泛素依赖的蛋白酶，可以调节拟南芥的种子和器官大小。基于已有研究基础，作者发现在将DA1及其同系物DAR1同时突变后，与野生型相比侧枝数目减少，而过表达DA1增加了侧枝数量，表明DA1及其同系物DAR1调控拟南芥侧枝的形成。扫描电镜观察发现da1-1突变体的叶腋未见分生组织，另外，作者通过检测GUS活性来验证腋生分生组织的标记基因STM的表達，发现da1-1突变体叶腋中心GUS活性降低，表明DA1参与调控腋生分生组织起始。

接下来，作者通过对已报到的一些调控腋生分生组织形成的关键转录因子与DA1共同突变进行功能分析，结果表明DA1与LAS存在功能冗余，与MYB类转录因子RAX1可协同发挥作用，而DA1在一定程度上与NAC类转录因子CUC2和CUC3共同作用，在营养生长期调节腋生分生组织的形成。然后，作者发现β-雌二醇处理CUC2和CUC3转基因材料可诱导DA1的积累，而cuc2/3的单、双突变体中DA1的表达降低，表明CUC2和CUC3可调控DA1的表达。为了进一步研究具体作用机制，作者用ChIP实验证明CUC2和CUC3在体内可与DA1的启动子区域互作，并用原核表达蛋白证明CUC2和CUC3可直接与DA1的启动子结合，促进DA1的表达。

为了鉴定DA1在调控腋生分生组织形成中的下游组分，作者通过遗传筛选分离出了da1-1在侧枝形成中的抑制因子sdb1-1，同时突变sdb1-1与da1-1部分恢复了da1-1侧枝减少的表型，说明sdb1-1突变抑制了da1-1在腋生分生组织起始阶段的缺陷，该抑制因子是一种泛素特异性蛋白酶15（UBP15）。过表达UBP15导致了腋芽数量减少，抑制了腋生分生组织的形成，这些结果表明，UBP15在DA1的下游起着控制腋生分生组织起始的作用。

基于鉴定到的这些关键组分，作者分别利用DA1、CUC2/CUC3、UBP15的突变体材料通过杂交来探究它们之间的调节模式。结果表明ubp15-1分别抑制了cuc2-3和cuc3-105的腋生分生组织起始的缺陷，而ubp15-1、cuc3-105双突变体在生殖发育过程中没有表现出像cuc3-105单突变体一样与主茎融合的分枝表型。这些现象说明UBP15可能与CUC2和CUC3在调节腋生分生组织发生中起着相同的作用。另外，作者还证明了UBP15基因可与LAS相互作用，部分影响了主茎与侧枝边界的形成。

综上，该研究证明了调控腋生分生组织起始的转录因子CUC2和CUC3直接与DA1的启动子结合并促进其表达，DA1作用于UBP15的上游影响腋生分生组织的形成，遗传分析支持CUC2/CUC3、DA1和UBP15在调节腋生分生组织起始途径中共同起作用，该研究建立了CUC2/CUC3-DA1-UBP15调控腋生分生组织并调控侧枝形成的作用模式，为理解植物形态建成提供了重要的理论基础。