文獻題目：A HECT‐Type E3 Ubiquitin Ligase TaUPL21 Promotes Root Development in Caucasian Clover by Directly Activating Transcription of TaAGL29

發(fā)表期刊：Plant Cell Environment

影響因子：6.3

物種：三葉草

發(fā)表單位：東北農(nóng)業(yè)大學

發(fā)表時間：2026年3月1日

藍景科信提供：DAP-seq技術(shù)服務

主要研究結(jié)果

高加索三葉草是多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草，根系發(fā)達、耐寒耐旱、水土保持能力突出，是飼草生產(chǎn)與生態(tài)修復的優(yōu)勢種質(zhì)資源。HECT型E3泛素連接酶（UPL）是植物生長發(fā)育的核心調(diào)控因子，但傳統(tǒng)研究僅聚焦其泛素化降解功能，該類蛋白在牧草根系發(fā)育中的調(diào)控機制長期未被解析。

研究團隊從高加索三葉草中鑒定出32個TaUPL基因，其中TaUPL21在根莖芽中特異性高表達，成為調(diào)控根系生長的核心候選基因。功能驗證顯示，過表達TaUPL21可顯著提升根長、根體積、根尖數(shù)與根表面積，直接證實其正向驅(qū)動根系發(fā)育的關(guān)鍵作用。通過DAP-seq全基因組鑒定TaUPL21結(jié)合位點，兩個生物學重復分別鑒定出1607和1066個結(jié)合峰，其中11.2%的峰位精準定位在基因啟動子區(qū)域；GO與KEGG富集顯示其靶基因參與次生代謝、基因組穩(wěn)定、表觀調(diào)控、脅迫響應與發(fā)育調(diào)控等多種過程。進一步Y(jié)1H、Dual-Luc等證實TaUPL21可直接結(jié)合TaAGL29啟動子并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活作用，顯著上調(diào)其表達水平。過表達TaAGL29同樣顯著促進根長、鮮重增加與生根能力提升，與TaUPL21表型高度一致。綜上表明，TaUPL21–TaAGL29通路是調(diào)控高加索三葉草根系發(fā)育的關(guān)鍵分子模塊。

該研究揭示了植物HECT型E3泛素連接酶兼具泛素連接酶與轉(zhuǎn)錄激活子雙重功能，突破了植物E3泛素連接酶的傳統(tǒng)功能認知，為豆科牧草根系結(jié)構(gòu)改良、抗逆性提升與高產(chǎn)育種提供了全新基因資源與理論支撐，對推動優(yōu)質(zhì)飼草育種創(chuàng)新、助力生態(tài)修復與畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要應用價值。

圖1. 大豆與高加索三葉草TaUPL基因家族的最大似然（ML）系統(tǒng)發(fā)育樹及該家族在三葉草不同根部位的表達水平。（A）基于全長序列、經(jīng)1000次自展檢驗構(gòu)建的大豆與高加索三葉草TaUPL基因家族最大似然（ML）系統(tǒng)發(fā)育樹。（B）TaUPL家族在三葉草不同根部位的表達水平。

圖2. TaUPLs的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、保守基序與基因結(jié)構(gòu)域。（A）基于全長序列、經(jīng)1000次自展檢驗構(gòu)建的TaUPL蛋白最大似然（ML）系統(tǒng)發(fā)育樹。（B）TaUPLs的結(jié)構(gòu)域分布。（C）TaUPL蛋白中保守基序的分布。

圖3. TaUPL21的最大似然（ML）系統(tǒng)發(fā)育樹、氨基酸多序列比對、蛋白表達結(jié)果、三維結(jié)構(gòu)與疏水性分析。（A）基于全長序列、經(jīng)400次自展檢驗構(gòu)建的TaUPL21最大似然（ML）系統(tǒng)發(fā)育樹。（B）TaUPL21的氨基酸多序列比對。（C）蛋白表達結(jié)果。（D）TaUPL21蛋白的三維結(jié)構(gòu)。（E）疏水性分析。

圖4. 高加索三葉草TaUPL21過表達毛狀根表型及相關(guān)指標。（A–D）高加索三葉草中過表達TaUPL21的毛狀根。（E）過表達TaUPL21的根體積。（F）過表達TaUPL21的根分叉數(shù)。（G）過表達TaUPL21的根長。（H）過表達TaUPL21的根尖數(shù)。（I）過表達TaUPL21的根表面積。

圖5. TaUPL21DNA結(jié)合活性的DAP-seq分析與功能驗證。（A）TaUPL21DAP-seq實驗兩個技術(shù)重復間峰的一致性分析。（B）TaUPL21結(jié)合峰在各功能區(qū)域（如啟動子、外顯子、內(nèi)含子）的基因組注釋統(tǒng)計。（C）從TaUPL21識別區(qū)間富集得到的保守基序。（D）所有TaUPL21靶基因的結(jié)合位點中心到轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）的距離分布。

圖6. TaUPL21直接結(jié)合并正向調(diào)控TaAGL29。（A）TaAGL29啟動子序列及重要順式作用元件分布。（B）TaUPL21與TaAGL29啟動子的結(jié)合位點。（C）酵母單雜交實驗驗證TaUPL21結(jié)合TaAGL29啟動子。（D）瞬時表達實驗所用效應子與報告子載體示意圖。（E）TaUPL21與TaAGL29啟動子的瞬時表達轉(zhuǎn)錄調(diào)控實驗。（F）轉(zhuǎn)化楊樹原生質(zhì)體12小時后檢測的LUC/REN相對熒光素酶活性。

圖7. 高加索三葉草TaAGL29過表達毛狀根表型、根長與根鮮重。（A）高加索三葉草中過表達TaAGL29的毛狀根。（B）過表達TaAGL29的根長。（C）過表達TaAGL29的根鮮重。

圖8. TaUPL21–TaAGL29通路促進高加索三葉草根系發(fā)育。

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