冠根作為禾本科作物根系的關鍵構成部分，其形態建成直接影響植株養分吸收效率、籽粒產量及環境適應性。轉錄因子WOX11是冠根形成過程中的核心調節因子，它能夠精準調控冠根原基的起始、細胞分裂及分生組織活性，然而，目前關于WOX11的上游調控網絡仍知之甚少。

近日，華中農業大學趙毓教授課題組在植物學知名期刊New Phytologist在線發表了題為The uORF-HsfA1a-WOX11 module controls crown root development in rice的研究論文。該研究首次揭示了熱休克蛋白HsfA1a 5’非翻譯區（5’UTR）中上游開放閱讀框（uORF）通過在翻譯水平對

WOX11

研究團隊綜合運用酵母單雜交、凝膠阻滯實驗及染色質免疫共沉淀等多種實驗技術，證實熱休克轉錄因子HsfA1a能夠直接結合到WOX11啟動子區的熱休克元件（HSE）上，從而激活WOX11的轉錄表達。遺傳學實驗結果顯示，在HsfA1a過表達株系中，冠根數目顯著增加了40%；而在HsfA1a敲除株系中，冠根發育則受到明顯抑制，這些結果進一步驗證了HsfA1a-WOX11信號軸的調控冠根發育中的生物學功能。

基于5’UTR序列的深入分析，研究團隊預測并鑒定出HsfA1a基因5’UTR中一段長度為24 bp的保守uORF。通過核糖體圖譜技術（Ribosome profiling）發現，該uORF可通過核糖體停滯（ribosome stalling）機制抑制HsfA1a主要開放閱讀框（mORF）的翻譯效率，進而降低HsfA1a蛋白的表達水平。進一步的實驗表明，在uORF突變體中，HsfA1a蛋白的積累量顯著升高，這導致WOX11的表達上調及冠根數目增加，揭示了uORF作為“翻譯抑制開關”對冠根發育的精細調控作用（圖1）。

研究團隊發現，在高溫脅迫條件下，原本對 HsfA1a 翻譯產生抑制作用的 uORF 表現出了與預期不同的調控特性。通常認知中可能認為高溫脅迫會解除 uORF 的抑制，進而增強 HsfA1a 蛋白豐度，但實際研究發現，高溫脅迫顯著增強HsfA1a uORF的翻譯抑制效率，導致HsfA1a蛋白豐度降低。這種調控機制使得植物在高溫逆境下抑制冠根發育，從而減少能量消耗，以更好地應對不利環境。而在正常條件下，uORF活性受到未知因素（如RNA結合蛋白）的調控，能夠維持HsfA1a-WOX11信號的適度激活，確保植物根系在適宜環境中正常發育。這一發現具有重要的生物學意義，表明uORF元件可能作為“環境響應緩沖器”的角色，能夠協調植物根系發育與逆境適應過程中的能量分配，使植物在不同環境條件下都能做出最優的生理響應。

綜上所述，該研究揭示了真核生物5’UTR uORF通過翻譯調控參與根系發育的分子機制，進一步完善了以WOX11為核心的冠根發育調控網絡。這一成果為植物器官發生研究提供了全新的研究范式，拓寬了該領域的研究思路。同時，uORF元件的發現為水稻根系遺傳改良提供了精準的編輯靶點，借助CRISPR-dCas9技術靶向調控uORF活性，可實現作物理想根系構型的定向優化，為“綠色超級稻”育種提供堅實的理論支撐，推動水稻育種向更高效、更適應環境變化的方向發展。

圖1 uORF-HsfA1a-WOX11模塊調控水稻冠根發育模式圖

華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室趙毓教授為該論文通訊作者，生命科學技術學院已畢業張婷博士和博士研究生向依萌為論文的共同第一作者。周道繡教授、袁猛教授及武漢大學胥國勇教授對該研究提供了重要的指導和幫助。博士研究生葉淼淼也參與了該研究工作。該研究得到國家自然科學基金、農業產業體系專項經費等的資助。

趙毓教授課題組長期聚焦植物根系發育調控機制研究，依托作物遺傳改良全國重點實驗室及湖北洪山實驗室，建立了涵蓋轉錄因子調控、表觀遺傳修飾等多哥關鍵層次的調控網絡研究體系，為深入解析植物器官發生機制提供了重要的理論支撐，同時也為設計精準、高效的植物育種策略奠定了堅實的科學基礎。課題組在相關領域發表了多篇具有影響力的研究論文：

1. Cheng S, Zhou D-X, Zhao Y. WUSCHEL-related homeobox geneWOX11increases rice drought resistance by controlling root hair formation and root system development. Plant Signaling & Behavior, 2015, 11

2. Geng L, Li Q, Jiao L, Xiang Y, Deng Q, Zhou DX, Zhao Y. WOX11 and CRL1 act synergistically to promote crown root development by maintaining cytokinin homeostasis in rice. New Phytol, 2023, 237:204-216

3. Geng L, Tan M, Deng Q, Wang Y, Zhang T, Hu X, Ye M, Lian X, Zhou D-X, Zhao Y. Transcription factors WOX11 and LBD16 function with histone demethylase JMJ706 to control crown root development in rice. The Plant Cell, 2024, 36:1777-1790

4. Ma N, Li N, Yu Z, Chen C, Zhou DX, Zhao Y. The F-box protein SHORT PRIMARY ROOT modulates primary root meristem activity by targeting SEUSS-LIKE protein for degradation in rice. J Integr Plant Biol, 2023, 65:1937-1949

5. Xu Q, Wang Y, Chen Z, Yue Y, Huang H, Wu B, Liu Y, Zhou DX, Zhao Y. ROS-stimulated protein lysine acetylation is required for crown root development in rice. J Adv Res, 2023, 48:33-46

6. Xu Q, Wang Y, Yue Y, Chen Z, Zhou DX, Zhao Y. Transcription factor WOX11 regulates protein translation via ribosome protein acetylation in rice roots. Plant Physiol, 2023, 191:2224-2228

7. Zhang T, Xiang Y, Geng L, Jiang W, Cheng S, Zhao Y. A Non-Canonical MITE in the WOX11 Promoter Is Associated with Robust Crown Root development in Rice. Plant Cell Physiol, 2022, 63:1052-1062

8. Zhao Y, Cheng S, Song Y, Huang Y, Zhou S, Liu X, Zhou DX. The Interaction between Rice ERF3 and WOX11 Promotes Crown Root Development by Regulating Gene Expression Involved in Cytokinin Signaling. Plant Cell, 2015, 27:2469-2483

9. Zhao Y, Hu Y, Dai M, Huang L, Zhou DX. The WUSCHEL-related homeobox gene WOX11 is required to activate shoot-borne crown root development in rice. Plant Cell, 2009, 21:736-748

10. Zhou S, Jiang W, Long F, Cheng S, Yang W, Zhao Y, Zhou DX. Rice Homeodomain Protein WOX11 Recruits a Histone Acetyltransferase Complex to Establish Programs of Cell Proliferation of Crown Root Meristem. Plant Cell, 2017, 29:1088-1104

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/nph.70214