木材來(lái)源于樹(shù)木莖干的次生生長(zhǎng)，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。其中，木纖維作為木材主要的細(xì)胞類(lèi)型，其獨(dú)特的形態(tài)特征與次生細(xì)胞壁（Secondary Cell Walls, SCWs）的沉積模式密切相關(guān)。在木纖維細(xì)胞分化過(guò)程中，細(xì)胞膨脹與SCW增厚的時(shí)序協(xié)調(diào)受發(fā)育信號(hào)與環(huán)境因素的精細(xì)調(diào)控。生長(zhǎng)素作為調(diào)控植物發(fā)育的關(guān)鍵內(nèi)源激素信號(hào)，在樹(shù)木莖干中主要聚集于維管形成層區(qū)域，其調(diào)控形成層細(xì)胞活性的分子機(jī)制已較為明晰。然而，生長(zhǎng)素如何精準(zhǔn)調(diào)控木纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)與次生細(xì)胞壁的沉積起始，仍是木材發(fā)育領(lǐng)域尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
3月19日生命科學(xué)學(xué)院羅克明、許長(zhǎng)征教授團(tuán)隊(duì)在《自然植物》（Nature Plants）發(fā)表了題為《生長(zhǎng)素調(diào)控毛白楊木材纖維細(xì)胞發(fā)育》（The auxin-PLETHORA 5 module regulates wood fibre development in Populus tomentosa）的研究論文。該研究揭示了生長(zhǎng)素信號(hào)在維管形成層中的核心作用，闡明其如何協(xié)同調(diào)控木纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)與木質(zhì)化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素信號(hào)通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子 PLETHORA 5 (PLT5) 的表達(dá)，以非細(xì)胞自主性方式調(diào)控木纖維細(xì)胞次生細(xì)胞壁沉積的起始。此外，該研究提出了“生長(zhǎng)素-PLT5-SND1”分子調(diào)控通路，為解析木材形成過(guò)程中細(xì)胞分化的時(shí)序調(diào)控機(jī)制提供了重要證據(jù)。
通過(guò)構(gòu)建 WOX4a 啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng) IAA9m 的毛白楊形成層特異性生長(zhǎng)素信號(hào)抑制轉(zhuǎn)基因株系，研究發(fā)現(xiàn)，形成層中生長(zhǎng)素信號(hào)的削弱顯著推遲了木纖維細(xì)胞次生細(xì)胞壁沉積的起始，并增加了木纖維細(xì)胞的長(zhǎng)度，證實(shí)生長(zhǎng)素在協(xié)調(diào)木纖維細(xì)胞膨脹與次生細(xì)胞壁沉積中的關(guān)鍵作用。進(jìn)一步結(jié)合多組學(xué)分析和 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出 PLT5a 及其同源蛋白 PLT5b 為形成層特異性、響應(yīng)生長(zhǎng)素信號(hào)的轉(zhuǎn)錄因子，并揭示其表達(dá)受生長(zhǎng)素響應(yīng)因子 ARF5 的直接調(diào)控。在 plt5a plt5b 雙突變體中，次生木纖維細(xì)胞的 SCW 沉積顯著提前，細(xì)胞長(zhǎng)度大幅縮短；而 PLT5a 過(guò)表達(dá)株系則表現(xiàn)出木纖維細(xì)胞長(zhǎng)度增加、SCW 沉積延遲的表型。值得注意的是，PLT5 主要影響木纖維細(xì)胞的發(fā)育，而對(duì)導(dǎo)管細(xì)胞無(wú)顯著作用。結(jié)合細(xì)胞生長(zhǎng)建模分析與生化實(shí)驗(yàn)證據(jù)，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn) PLT5 能直接抑制次生細(xì)胞壁沉積關(guān)鍵基因 SND1 的表達(dá)，從而負(fù)調(diào)控木纖維細(xì)胞的 SCW 合成，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)與木質(zhì)化進(jìn)程的動(dòng)態(tài)平衡。
綜上，該研究提出了“生長(zhǎng)素-PLT5-SND1”調(diào)控模型，揭示了生長(zhǎng)素通過(guò) PLT5 精細(xì)調(diào)控木纖維發(fā)育的分子級(jí)聯(lián)通路。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)木材形成過(guò)程中細(xì)胞分化時(shí)序調(diào)控機(jī)制的理解，還為定向改良木材纖維品質(zhì)（如木纖維長(zhǎng)度、細(xì)胞壁厚度）提供了關(guān)鍵靶點(diǎn)，對(duì)速生優(yōu)質(zhì)林木新品種的分子育種具有重要的指導(dǎo)意義。
生命科學(xué)學(xué)院許長(zhǎng)征教授和羅克明教授為論文共同通訊作者。碩士研究生劉帥（已畢業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心在讀博士生）和付小康副教授為論文共同第一作者。碩士生王玥、杜雪蓮（已畢業(yè)，現(xiàn)為德國(guó)波恩大學(xué)在讀博士生）、羅蓮佳（已畢業(yè)）、陳棟、博士生劉淳昭、胡建（已畢業(yè)）參與了本項(xiàng)工作。清華大學(xué)/北京林業(yè)大學(xué)鄔榮領(lǐng)教授等參與了本研究數(shù)據(jù)分析工作。中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心李來(lái)庚研究員為本研究提供了重要指導(dǎo)。東北林業(yè)大學(xué)姜立泉教授、李偉教授，北京林業(yè)大學(xué)陸海教授，西南大學(xué)張勇教授為本研究給予了大力支持和幫助。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委資助及西部（重慶）科學(xué)城種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-025-01931-z
