浙江
植物根系是否發達，直接關系到它能不能喝飽水、吃夠肥。側根作為根系中的“生力軍”，其形成并非隨心所欲，而是受到一套精密程序的調控。過去科學家已知，染色質結構的動態變化會影響側根發育，但其中具體的分子“開關”一直模糊不清。
近日，華中農業大學生命科學技術學院與華南農業大學合作團隊在《自然-植物》（Nature Plants）發表題為《TOP1α介導的CYP82C4 G-四鏈體DNA穩定化抑制擬南芥側根原基起始》的研究論文。論文通訊作者為劉思思教授和陳春麗教授。這項研究揭示了植物如何利用一個不尋常的DNA“結”——G-四鏈體——來精確控制側根的出生時機。
研究團隊首先通過遺傳操作發現，如果把擬南芥中的TOP1α基因敲掉，幼苗長出的側根原基數量明顯增多；而當恢復該基因功能后，側根密度又恢復正常。這意味著TOP1α不是促進者，恰恰相反，它是一個側根起始的“剎車”。順著這條線索，研究者利用轉錄組測序和CUT&Tag技術，在TOP1α缺失的植株中尋找哪些基因被異常激活。結果鎖定了一個名為CYP82C4的基因——它在突變體中的表達量飆升了十幾倍。后續實驗進一步確認，CYP82C4本身是側根起始的促進因子，它的缺失會使側根減少，而過表達則使側根增多。因此，一個清晰的鏈條浮現：TOP1α通過抑制CYP82C4來踩下側根形成的剎車。
然而，TOP1α究竟如何抑制CYP82C4？答案藏在一段不起眼的DNA序列里。研究者在CYP82C4基因的模板鏈上發現了一段由19個核苷酸組成的、富含鳥嘌呤（G）的片段，命名為T19。體外實驗表明，這段DNA不會老老實實地保持雙螺旋形態，而是折疊成一個四鏈“扭結”——即G-四鏈體（G4）結構。更關鍵的是，TOP1α蛋白能緊緊抓住這個G4結構，結合親和力高達納摩爾級別，并使其更加穩定。研究者用兩種手段破壞這個G4結構：一是引入同義突變讓T19無法形成G4，二是使用小分子藥物TMPyP4去“拆解”它。結果驚人地一致——G4結構一旦失穩或消失，CYP82C4的轉錄便大幅上升，側根原基也迅速增多。這說明，TOP1α正是通過穩住這個G4“路障”，阻斷了基因的順暢轉錄，從而控制側根數量。
為了驗證這一機制在活體內的真實性，團隊構建了兩種轉基因擬南芥：一種攜帶天然T19序列（能形成G4），另一種攜帶無法形成G4的同義突變序列（但編碼的蛋白質完全不變）。在正常生長條件下，后者長出的側根原基顯著多于前者。此外，ATAC-seq分析顯示，G4結構的存在還與局部染色質開放性相關。有趣的是，研究者還發現TOP1α會導致CYP82C4的轉錄本在跨越G4位點前提前中斷，進一步證實G4如同一道物理屏障，阻礙了RNA聚合酶的順利通過。
這項研究首次在植物中揭示，一個染色質重塑蛋白TOP1α可以通過穩定DNA模板鏈上的G-四鏈體結構，來精確抑制側根原基的起始。它不僅為理解植物根系發育增添了一塊全新拼圖，也為未來通過基因編輯或小分子手段定向改良作物根系構型、提高養分利用效率提供了潛在靶點。
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