报告：对“Knockdown of strigolactone biosynthesis genes in Populus affects BRANCHED1 expression and shoot architecture”的学术研究介绍

第一部分：研究的作者及发表信息

本文的主要作者为 Merlin Muhr、Nele Prüfer、Maria Paulat 和 Thomas Teichmann，作者所属的机构是德国 Göttingen 大学的 Albrecht-von-Haller-Institute for Plant Sciences 的植物细胞生物学系。本文发表于植物科学领域的学术期刊 *New Phytologist*，发表时间为2016年，卷号为212，页码为613–626，DOI 为10.1111/nph.14076。

第二部分：研究的学术背景、意义及目的

研究领域与背景知识： 植物的分枝和生长形态（architecture）受到复杂的调控系统控制，其中侧芽的生长与分枝1（BRANCHED1, BRC1）和独脚金内酯（strigolactones, SLs）起到的重要调控作用密切相关。SLs 是一类抑制芽生长的植物激素，其机制已在草本模式植物如拟南芥、稻和豌豆中得到详细表述。然而，这一体系在木本多年生植物（如杨树）中的作用尚未被明确证实。

研究目的： 本文旨在探讨 SLs 在木本模式植物 Populus × canescens（灰杨）中的作用，具体分析杨树中 SLs 生物合成基因的下调如何影响分枝行为和 BRC1 基因的表达。此外，作者试图研究杨树中 SLs 和 BRC1 是否遵循与草本植物中类似的调控机制。

第三部分：研究流程与实验设计

研究团队进行了多个层次的实验研究，流程包含以下关键步骤：

1. 合成 SLs GR24 处理实验： 作者使用一种化学合成的 SL 类似物 GR24 来检测其对灰杨侧芽生长的抑制作用。实验对象为灰杨的带两节芽的茎段切割样本，将其培养在含有 GR24 （终浓度为5 µM）或对照实验中未加入 GR24 的培养基上。通过观察芽的生长是否抑制，评估 GR24 的生物活性。

2. MAX4 基因的人工 RNA 干扰构建与敲低实验： MAX4 是关键的 SL 生物合成基因。研究团队使用人工 microRNA 技术（amiRNA）设计特异性抑制 MAX4 的片段，并通过农杆菌转化法生成多个基因敲低杨树株系。这些转基因系的 RNA 提取和 qPCR 实验验证了敲低的成功性。

3. 形态学表型分析： 通过温室栽培，研究者对野生型和敲低株系的表型相关参数进行了比较，分析其枝条数量、植株高度以及节间长度等特性。此外，还分析了侧根生成的能力。

4. 嫁接实验： 为了确认 SLs 的作用是否具有移动性，研究团队进行了多个遗传背景（野生型与敲低型）的嫁接组合。例如，将敲低株系作为穗条（scion）接到野生型砧木上，或反之。他们通过观察芽与枝条形态恢复情况判断 SLs 的可能运输方向及其生物作用。

5. 候选基因 BRC1 与 BRC2 的生物信息学和表达分析： 作者在杨树的基因组数据库上，通过和拟南芥 TCP 转录因子家族的 BRC1 和 BRC2 序列比较，鉴定了可能的杨树同源基因，并通过转录水平验证其组织特异性表达模式。

6. 外源实验： 作者进一步分析了 SLs 是否通过调控 BRC1 基因发挥作用。通过在敲低株系中测定 BRC1 表达水平，明确杨树的 SL 缺乏是否导致 BRC1 表达下降。

第四部分：主要研究结果

1. SLs GR24 的抑芽作用： 实验显示，化学合成的 GR24 在杨树中可以显著抑制下部芽的生长，显示出 SLs 在杨树中的抑制功能特性类似于草本植物。实验证据表明 GR24 的作用具有选择性。

2. MAX4 敲低对表型的影响： 敲低杨树 MAX4 的转基因植株表现出典型的 SL 缺乏表型：显著增加的分枝数、缩短的节间长度、降低的植株高度。此外，敲低株系还显示出更高的侧根诱发生长能力。

3. 嫁接实验的补偿效应： 通过嫁接实验，研究团队发现用野生型砧木可以完全恢复 MAX4 敲低株系的分枝表型，并纠正伴随的高度及节间缩短问题。这表明 SLs 的功能可能通过根部合成并向上传导至穗条。

4. BRC1 基因的调控分析： 作者发现，杨树的两个 BRC1 候选基因（Potri.012g059900 和 Potri.015g050500）的表达确实与 SL 缺乏相关。此外，与 BRC2 种类相比，BRC1 的表达更为显著地受到 SL 调控。

5. SLs 对极性生长激素运输的影响： SLs 在杨树中影响生长素的运输效率。研究显示 MAX4 敲低株系的极性生长素运输速率显著上升，与 SL 在生长素效应上的调控模型高度一致。

第五部分：结论与研究价值

本研究首次明确杨树中 SLs 的功能，并揭示了它们通过调节关键转录因子 BRC1 和生长素运输来控制芽长及植物形态。这项研究表明，SL 调控系统在草本植物和木本植物中具有高度保守性。此外，实验还提示 SL 生物合成的局部化可能对树木较大的形态起重要作用。

该研究对于拓展 SLs 在多年生木本植物中的功能研究，以及应用基因编辑技术优化树木结构和林木生产性能具有重要启示。

第六部分：研究亮点

• 首次明确 SLs 在杨树中的生物学作用，填补了木本植物分枝调控研究的空白。
• 通过 MAX4 基因的双敲低模型，全面解析了 SL 缺失的体内效应。
• 结合化学类比物实验、嫁接研究及基因表达分析，多层次揭示了 SLs 的跨组织作用及其可能存在的信号传导机制。

第七部分：其他相关内容

本研究还讨论了 SLs 在其他植物体内的多样性及其研究的技术难点，为日后开发基于 SL 通路的树木遗传育种提供了理论基础。同时，文中开发的 amiRNA 技术及相关改良 RNA 提取方法可成为应用于其他植物研究的技术参考。