《Plant Physiology and Biochemistry》：Molecular Mechanism of
SmERF B3-4 in Regulating Lignin Biosynthesis by Modulating
Sm4CL11 in
Salix matsudana
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本研究针对乙烯诱导柳树矮化过程中木质素沉积减少的现象，通过转录组分析筛选出关键基因Sm4CL11，并发现其上游转录因子SmERF B3-4直接结合启动子激活表达。VIGS沉默实验证实Sm4CL11调控木质素空间分布及植株生长，为林木遗传改良提供新靶点。
在林木育种和生物质能源开发领域，木质素沉积调控一直是核心课题。这种复杂的芳香聚合物虽赋予植物机械强度与抗逆性，却制约造纸工业效率和生物燃料转化。柳树（Salix matsudana）作为速生树种，其矮化现象常伴随木质素代谢异常，但乙烯激素如何通过转录网络精确调控木质素合成的分子机制尚不明确。
为解决这一问题，南通大学研究团队以柳树‘9901’为材料，发现外源乙烯利（ethephon）处理可诱导植株矮化，并显著降低茎秆木质素含量。通过RNA-seq分析锁定木质素合成通路关键酶基因Sm4CL11（4-香豆酸辅酶A连接酶），其表达在乙烯处理后持续下调。病毒诱导基因沉默（VIGS）实验表明，抑制Sm4CL11后柳树出现类似乙烯处理的矮化表型，且木质素沉积减少。组织化学染色与拉曼显微光谱（Raman microspectroscopy）进一步揭示Sm4CL11沉默导致导管细胞壁木质素空间分布紊乱。
为解析上游调控机制，研究通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选出乙烯响应因子SmERF B3-4。启动子顺式元件分析发现Sm4CL11启动子区域含AP2/ERF结合位点。酵母单杂交（Y1H）和双荧光素酶报告基因（LUC）实验证实SmERF B3-4直接结合Sm4CL11启动子并激活其转录。SmERF B3-4的VIGS沉默导致Sm4CL11表达与木质素含量同步下降，验证了二者级联调控关系。该研究首次揭示柳树中乙烯-SmERF B3-4-Sm4CL11模块调控木质素合成与植株生长的分子通路，为林木遗传改良提供理论依据。
关键技术方法
研究采用外源乙烯利梯度处理柳树幼苗诱导表型；通过RNA-seq筛选差异基因，VIGS技术沉默目标基因验证功能；组织化学染色与共聚焦拉曼光谱分析木质素分布；WGCNA构建共表达网络预测调控关系；Y1H和LUC实验验证转录因子与启动子互作。柳树材料为栽培种‘9901’，烟草（Nicotiana benthamiana）用于瞬时转化。
3.1 乙烯利诱导柳树矮化与木质素含量降低
外源乙烯利处理45天后，柳树植株高度、茎粗和生物量均显著下降，第六节间茎秆木质素含量降低，内源乙烯水平升高，表明乙烯积累与矮化表型相关（图1）。
3.2 转录组分析揭示乙烯响应基因
RNA-seq发现838个持续差异表达基因，其中Sm4CL11在乙烯处理后12h和24h显著下调，提示其可能为乙烯快速响应的木质素合成关键基因（图2）。
3.3 Sm4CL11参与茎秆生长调控
VIGS沉默Sm4CL11后，柳树出现矮化、节间缩短、茎粗增加等表型，证实该基因通过调控木质素合成影响植株形态建成（图3）。
3.4 Sm4CL11调控木质素在木质部的空间分布
Sm4CL11沉默导致茎秆木质素含量显著降低，组织切片显示木质部染色减弱，拉曼光谱证实导管细胞壁木质素沉积减少（图4）。
3.5 SmERF B3-4转录调控Sm4CL11表达
WGCNA将Sm4CL11纳入青色模块，并筛选出共表达转录因子SmERF B3-4。启动子分析发现其含ERF结合位点，Y1H和LUC实验证明SmERF B3-4直接激活Sm4CL11转录。沉默SmERF B3-4可下调Sm4CL11表达并降低木质素含量（图5-6）。
结论与讨论
本研究阐明乙烯通过转录因子SmERF B3-4直接激活Sm4CL11表达，调控柳树木质素合成与沉积，影响植株矮化表型。该通路为理解木本植物激素-细胞壁互作提供新视角，对培育低木质素速生树种具有应用潜力。需进一步解析SmERF B3-4是否调控木质素单体组成（如G/S比例）及其在逆境响应中的交叉调控网络。
