近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳春麗教授課題組聯(lián)合化學(xué)學(xué)院劉思思副教授在植物側(cè)根發(fā)育調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于Nature Plants。該研究圍繞側(cè)根原基干細(xì)胞形成這一關(guān)鍵性狀，從染色質(zhì)調(diào)控與DNA結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，揭示了DNA局部結(jié)構(gòu)參與基因表達(dá)調(diào)控的新機(jī)制。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生張娜為該論文的第一作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院陳春麗教授與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉思思副教授為共同通訊作者。

側(cè)根是植物根系的重要組成部分，對(duì)水分和養(yǎng)分吸收具有重要意義。其中，側(cè)根原基的起始是決定側(cè)根是否形成以及側(cè)根數(shù)目的關(guān)鍵步驟。然而，該過(guò)程的分子調(diào)控機(jī)制仍有待深入解析。側(cè)根原基起始伴隨著中柱鞘體細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變及染色質(zhì)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)重塑。基于此，研究團(tuán)隊(duì)從染色質(zhì)調(diào)控角度切入，關(guān)注DNA拓?fù)湔{(diào)控因子TOP1α（DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶I）在該過(guò)程中的作用。

細(xì)胞學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，TOP1α功能缺失后，側(cè)根原基起始形成增多。多組學(xué)聯(lián)合分析表明TOP1α抑制下游靶標(biāo)基因CYP82C4的表達(dá)。生物信息學(xué)分析表明，在CYP82C4編碼區(qū)域模板鏈存在G-四鏈體（G-quadruplex, G4）可形成序列。生物物理學(xué)手段鑒定，該序列可折疊成反平行G4結(jié)構(gòu)，TOP1α可結(jié)合并穩(wěn)定該G4 結(jié)構(gòu)；通過(guò)基因編輯構(gòu)建CYP82C4基因G4缺失的同義突變的轉(zhuǎn)基因材料，通過(guò)遺傳學(xué)手段證明了在CYP82C4基因G4結(jié)構(gòu)正常存在時(shí)會(huì)形成CYP82C4截?cái)噢D(zhuǎn)錄本，側(cè)根原基起始受阻。G4結(jié)構(gòu)缺失轉(zhuǎn)基因材料中CYP82C4基因全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本豐度更高，側(cè)根原基起始增多。證實(shí)了TOP1α通過(guò)穩(wěn)定G-四鏈體結(jié)構(gòu)抑制CYP82C4基因表達(dá)進(jìn)而抑制側(cè)根原基起始。

基于上述結(jié)果，研究構(gòu)建了從DNA結(jié)構(gòu)到發(fā)育調(diào)控的作用模型：染色質(zhì)動(dòng)態(tài)變化促進(jìn)局部G4結(jié)構(gòu)形成，TOP1α參與調(diào)節(jié)其穩(wěn)定性，進(jìn)而影響相關(guān)基因表達(dá)并調(diào)控側(cè)根原基起始。該研究表明，除DNA序列信息外，DNA結(jié)構(gòu)狀態(tài)本身亦可作為重要調(diào)控因子參與植物發(fā)育過(guò)程。

TOP1α靶向G4結(jié)構(gòu)調(diào)控側(cè)根原基起始模式圖

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02296-7