NtMBD1调控烟草（Nicotiana tabacum L.）的茎分枝过程及进化分化

《Plant Physiology and Biochemistry》：NtMBD1 regulates shoot branching regulation and evolutionary differentiation in tobacco (Nicotiana tabacum L.)

　　

吴琦|王立贤秋|马瑞琪|陈欢|陈萌|吕静|雷波|戴长波|孙玉和|吴新如

摘要

分枝调控和生物量积累是决定烟草生产力和生物能源潜力的关键因素，然而烟草分枝控制的分子机制仍不甚清楚。在本研究中，我们描述了通过EMS诱变获得的ntmbd1突变体，该突变体表现出过度的基础分枝和改变的植物结构。SSR图谱分析和全基因组测序发现ntmbd1中存在一个无义突变，导致编码的P450蛋白被截断。NtMBD1主要在茎尖分生组织、花朵和根部表达，其定位在内质网中，表明它可能在内质网相关的调控过程中起作用。系统发育分析显示，NtMBD1起源于野生烟草Nicotiana sylvestris，而其在N. tomentosiformis中的同源基因可能在进化过程中丢失。功能验证表明，NtMBD1对腋芽抑制是必需的，因为在N. tabacum和Nicotiana benthamiana中破坏NtMBD1会导致分枝缺陷，而Arabidopsis max1突变体的异源互补实验证实了其保守的功能；此外，ntmbd1突变体的互补实验恢复了正常的植物结构和生物量特征。这些发现共同揭示了NtMBD1作为分枝和植物结构的关键调控因子，为理解其分子和进化作用提供了新的见解，并为作物改良和可持续生物能源开发提供了潜在应用。

引言

植物的结构，特别是茎的分枝调控，是农业生产力的关键决定因素。分枝模式影响光捕获、资源分配和产量质量，因此在不同环境条件下精确控制腋芽的生长对于优化植物形态和表现至关重要（Wang和Li，2006；Wang等人，2022）。植物结构由根、茎、叶和花的组织和生长模式组成，分枝是其最重要的决定因素之一（Domagalska和Leyser，2011）。例如，在谷物作物中，植物形态，尤其是分枝，是决定产量潜力的关键因素，因为它与结籽器官（如分蘖或穗）的数量密切相关。分枝源于腋芽的生长，不仅对植物的整体形态至关重要，还影响其捕获光和同化外部养分和能量的能力。平衡的分枝结构使植物能够适应环境变化，确保生存和成功繁殖（Yang等人，2022）。

在观赏植物和园艺环境中，如花卉和绿植中，分枝的数量影响形态发育和观赏价值。绿植中的更多分枝便于整形和修剪，而在开花植物中，更多的分枝会增加花朵数量，提高观赏价值（Chen，2017）。已确定调控分枝发育的关键遗传因素是植物激素和特定基因，这些基因调节植物结构这一关键方面。这些因素在不同发育阶段影响分枝，其中遗传因素在腋芽的起始中起主导作用，而激素因素影响芽的生长（Koltai等人，2010）。转录因子通过上调多个基因来协调腋芽分生组织的出现和发展，从而促进腋芽生长中心的形成（Salam等人，2021）。在参与分枝的已知基因中，番茄中的LATERAL SUPPRESSOR（LS）及其在Arabidopsis（LAS）和水稻（MONOCULM1、MOC1）中的同源基因最为重要，这些基因编码GRAS家族的核蛋白成员。这些基因在腋芽起始的早期阶段至关重要，据信它们通过REVOLUTA（REV）等途径激活关键基因SHOOT MERISTEMLESS（STM），维持分生潜力（Schumacher等人，1999；Greb等人，2003；Li等人，2003）。

除了遗传因素外，斯特里戈拉酮（SLs）是一类来自类胡萝卜素生物合成途径的萜类内酯激素，在植物发育中发挥多种作用，包括分枝、种子萌发、根伸长、侧根形成、次生生长、叶片衰老和对非生物胁迫的响应（Chen等人，2009；Xiong等人，2014；Wang等人，2015）。作为继细胞分裂素和生长素之后新发现的植物激素类，SLs已知能抑制植物分枝的生长和发育。参与SLs生物合成和信号传导途径的基因对于控制腋芽生长和SL介导的分枝发育至关重要（Wang等人，2014；Wang，2020）。目前，已在包括Arabidopsis、水稻和豌豆在内的多种植物物种的过度分枝突变体中克隆出参与SL生物合成和信号传导途径的基因，如D27、CCD7、CCD8和MAX1（Mu?oz等人，2018；Soyano和Hayashi，2014）。类胡萝卜素底物的切割标志着SL生物合成的开始，CCD7和CCD8催化该途径中的关键步骤（Shu等人，2015）。SLs是由β-胡萝卜素异构酶和类胡萝卜素裂解双加氧酶MAX3和MAX4连续作用合成的生物活性分子，共同生成斯特里戈拉酮中间体（De Cuyper等人，2017；Wang等人，2021）。

在本研究中，我们对细胞色素P450基因NtMBD1（More Branch and Dwarf 1）进行了全面的分子、遗传和进化分析，该基因被确定为烟草Nicotiana tabacum中腋芽分枝和生物量积累的关键调控因子。通过填补目前关于烟草中SL相关分枝调控的知识空白，本研究为植物发育调控提供了基础见解，并支持生物能源作物改良的转化应用。

章节片段

植物材料和遗传群体

ntmbd1（more branch and dwarf 1）突变体是通过化学诱变剂乙基甲磺酸（EMS）处理产生的，方法基于先前描述的方法并稍作修改（Wu等人，2014）。简要来说，将野生型烟草品种Honghua Dajinyuan（HD）的种子浸泡在0.6%的EMS溶液中（体积比）16小时，彻底冲洗后播种在温室中。八周后，超过10,000株幼苗被移植到田间并自交产生M2种子

ntmbd1突变体的表型

我们描述了一种多分枝的烟草突变体ntmbd1，它是通过HonghuaDajinyuan（HD）品种的EMS诱变产生的。移植后的前三周内，ntmbd1突变体与HD在表型上没有显著差异。然而，到第六周时，ntmbd1突变体的基础分枝明显比HD长（图1a-c），同时产生的腋芽数量相似，每株大约有12个芽（图1d）。随后，

NtMBD1增强烟草的生物量积累和生物燃料潜力

图谱分析和测序确定NtMBD1是ntmbd1分枝缺陷的致病基因（图2），CRISPR诱导的突变再现了突变体的表型（图5），证实了它在烟草和Arabidopsis中抑制腋芽的必要性，NtMBD1的过表达部分补偿了ntmbd1突变体（图6），表明在通路水平上的功能等效性。烟草中的NtMBD1基因是Arabidopsis MAX1（MORE AXILLARY GROWTH1）基因的同源基因（图3），起着

结论

总之，本研究确定NtMBD1是N tabacum中分枝和植物结构的关键调控因子，其功能丧失会导致过度的基础分枝和顶端优势减弱。系统发育分析进一步表明，NtMBD1起源于N. sylvestris，而其在N. tomentosiformis中的同源基因在进化过程中丢失。这些发现为优化植物结构和提高生物量积累提供了分子基础，具有广泛应用前景

资金声明

本研究得到了中国山东省重点研发计划（2024LZGC026）、山东省自然科学基金（ZR2025MS468、ZR2025QC1398、ZR2023QC159）、农业科技创新计划（ASTIP-TRIC02、ASTIP-TRIC-QH-2025B03、ASTIP-TRIC-ZD05）、中国烟草基因组项目[110202201006（JY-06）、110202201009（JY-09）以及中国农业科学院国际烟草研究所基金（编号IFT202505）的支持。

(Li和Durbin，2009；Mu?oz等人，2021；Richards，2000；Yang和Hwa，2008；Zhang，2020)

CRediT作者贡献声明

陈萌：资源提供、数据管理。戴长波：项目管理、研究、资金获取。孙玉和：项目管理、研究、概念构思。吕静：监督、软件使用。雷波：项目管理、研究、概念构思。吴琦：撰写——初稿、方法学、研究、资金获取。王立贤秋：验证、方法学、研究。吴新如：撰写——审稿与编辑、项目管理、研究。马瑞琪：

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。