近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室陈春丽教授课题组联合化学学院刘思思副教授在植物侧根发育调控领域取得重要进展，相关成果发表于Nature Plants。该研究围绕侧根原基干细胞形成这一关键性状，从染色质调控与DNA结构角度出发，揭示了DNA局部结构参与基因表达调控的新机制。华中农业大学生命科学技术学院博士研究生张娜为该论文的第一作者。华中农业大学生命科学技术学院陈春丽教授与华中农业大学化学学院刘思思副教授为共同通讯作者。
侧根是植物根系的重要组成部分，对水分和养分吸收具有重要意义。其中，侧根原基的起始是决定侧根是否形成以及侧根数目的关键步骤。然而，该过程的分子调控机制仍有待深入解析。侧根原基起始伴随着中柱鞘体细胞命运转变及染色质状态的动态重塑。基于此，研究团队从染色质调控角度切入，关注DNA拓扑调控因子TOP1α（DNA拓扑异构酶I）在该过程中的作用。
细胞学研究发现，TOP1α功能缺失后，侧根原基起始形成增多。多组学联合分析表明TOP1α抑制下游靶标基因CYP82C4的表达。生物信息学分析表明，在CYP82C4编码区域模板链存在G-四链体（G-quadruplex, G4）可形成序列。生物物理学手段鉴定，该序列可折叠成反平行G4结构，TOP1α可结合并稳定该G4 结构；通过基因编辑构建CYP82C4基因G4缺失的同义突变的转基因材料，通过遗传学手段证明了在CYP82C4基因G4结构正常存在时会形成CYP82C4截断转录本，侧根原基起始受阻。G4结构缺失转基因材料中CYP82C4基因全长转录本丰度更高，侧根原基起始增多。证实了TOP1α通过稳定G-四链体结构抑制CYP82C4基因表达进而抑制侧根原基起始。
基于上述结果，研究构建了从DNA结构到发育调控的作用模型：染色质动态变化促进局部G4结构形成，TOP1α参与调节其稳定性，进而影响相关基因表达并调控侧根原基起始。该研究表明，除DNA序列信息外，DNA结构状态本身亦可作为重要调控因子参与植物发育过程。
TOP1α靶向G4结构调控侧根原基起始模式图
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-026-02296-7
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