杨宇晨副教授团队揭示外源植物生长抑制剂对石榴矮化作用的分子机制
植物矮化栽培具有节约土壤肥力、提升光能利用率、提高果实产量、降低劳动力成本等优点，是现代农业的重要栽培策略之一。近年来，植物生长抑制剂（Plant growth retardants，PGR）在植物矮化栽培方面广泛应用。石榴（Punica granatum L.）是我国重要的经济作物，具有很高的营养和药用价值，如何有效地利用矮化栽培技术对石榴进行增产是大家一直以来关心的问题。但目前尚缺乏系统性的研究，对石榴矮化生长的分子机制仍有待进一步的了解。
图1 石榴（绘自陈灵玥）
为了探究这一问题，中山大学生态学院杨宇晨副教授团队利用三种常见的PGR，多效唑（paclobutrazol）、丁酰肼（B9）及甘露醇（mannitol），对石榴幼苗进行矮化处理，并通过比较转录组学解析了转录及转录后调控机制在揭示了PGR诱导的石榴矮化性状背后的分子机制。
结果表明，三种PGR均可显著抑制石榴植株的生长，导致石榴植株矮化（图2）。比较转录分析发现三种PGR主要通过抑制生长素合成、茎尖分生组织维持等生物过程从而导致石榴植株矮化。除了上述共有的调控外，不同PGR的处理还能通过各自特有的机制诱导石榴的矮化生长。结果还显示，PGR处理存在着明显的剂量效应。如与细胞分裂、发育生长等过程相关的基因表达随着甘露醇处理浓度的增加而持续下调（图3C），但过高的浓度也会造成细胞死亡，对植株的正常生理活动造成不利影响。
图2 第90天石榴幼苗的高度
从左到右分别为多效唑处理组、B9处理组、甘露醇处理组、对照组。
图3 甘露醇处理基因GO注释与表达趋势图
A：2.5g/L甘露醇处理组下调基因的功能富集分析结果；B：15g/L甘露醇处理组下调基因的功能富集分析结果；C：在不同甘露醇浓度（0、2.5和15 g/L）处理组中具有相似表达趋势的显著基因簇，以及每个基因簇中显著富集的GO条目和KEGG通路。
在此基础上，我们进一步从转录后层面讨论了PGR诱导石榴矮化的分子机制。通过转录组数据，我们进行了全基因组范围内的可变多聚腺苷化（Alternative polyadenylation，APA）分析，与正常生长的植株相比，PGR诱导的矮化植株中与生长素极性转运、茎尖分生组织特性维持、叶片发育等过程相关的基因的3'末端poly(A)位点使用存在显著变化，表明APA事件广泛参与了石榴的生长调控（图4）。值得注意的是，大多数基因特异性地受到基因表达或APA调控，仅少部分基因受二者的共同调控。尽管如此，我们仍旧发现APA事件所造成的3'末端增长会引入额外的microRNA靶点，进而可通过microRNA介导的 mRNA 裂解来调节基因表达，实现对石榴矮化生长的精细调控（图5）。
图4 三种PGR 诱导的差异APA基因数量和GO富集结果
A：丁酰肼、甘露醇和多效唑处理下差异APA基因数量；B - D：丁酰肼、甘露醇和多效唑诱导的差异APA基因显著富集到的GO条目
图5 具有延长/缩短的 3' UTR 的 DAG 概览以及在多效唑处理下靶向延长的 3' UTR 的推定 miRNA
A-B：左图为6和8 mg/L 多效唑处理下使用远端poly(A)位点（红色）和近端poly(A)位点（蓝色）的差异APA基因数量，右图显示在6和8 mg/L多效唑处理下，具有特异性microRNA靶点的使用远端poly(A)位点转录本比例；C：使用远端poly(A)位点转录本中特异性microRNA 靶点的数量分布 D：裂解或抑制mRNA翻译的组成型和特异性microRNA的数量；E：8 mg/L 多效唑处理下，由特异性microRNA引起表达量下调的基因的显著富集GO条目
本研究分别从转录及转录后水平揭示PGR诱导的石榴矮化生长的分子调控机制。研究结果提升了我们对石榴生长发育过程的认识，为未来基于分子遗传学的石榴矮化植株的选育提供了靶点，对石榴的育种、增产等具有重要的意义。研究结果分别以“Molecular Dissection Unveiling Dwarfing Effects of Plant Growth Retardants on Pomegranate”和“Genome-wide Alternative Polyadenylation Dynamics Underlying Plant Growth Retardant-induced Dwarfing of Pomegranate”为题发表在植物科学期刊Frontiers in Plant Science（JCR: 6.627/Q1）。我院19级本科生任文絮和23级硕士研究生夏鑫慧分别为两篇论文的（共同）第一作者，杨宇晨副教授为两篇论文的通讯作者，本科生范敏红、陈灵玥、研究生刘玉琪、常馨月参与了该项研究工作，安徽科技大学农学院为合作单位。
全文链接：
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.866193/full
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2023.1189456/full
