The PagGRF20–PagMYB4 regulatory module coordinates wood formation in poplar

木质部 木聚糖 木质素 次生细胞壁 纤维素 细胞壁 转录因子 生物化学 多糖 化学 生物合成 转录调控 基因 抑制因子 下调和上调 细胞生物学 表型 糖基转移酶 生物 次生生长 细胞 植物 基因表达调控 调节器 抄写(语言学) 细胞培养 发起人 软木 生物物理学
作者
Tong Wang,Haofei Wang,Jingna Si,Jiadong Wu,Chen Zhang,Sen Yang,Xuefei Cao,Xiang Zhang,Yan Li,Yousry A. El‐Kassaby,Lin Liu,Deqiang Zhang,Zhong Chen,Jianbo Xie
出处
期刊:Journal of Integrative Plant Biology [Wiley]
卷期号:68 (4): 1176-1200
标识
DOI:10.1111/jipb.70176
摘要

Despite decades of research on NAC-MYB master regulators, the transcription factor (TF)-mediated network governing wood development remains fragmented, hindering a systems-level understanding of secondary xylem formation. In this study, we identified GROWTH REGULATING FACTOR 20 (PagGRF20) as a key regulator within the poplar wood formation network. Compared to wild-type (WT) poplars, the PagGRF20-overexpressing lines showed a 22.1%-23.9% increase in secondary xylem thickness, a 37.7%-43.3% increase in cell wall thickness, and higher cellulose and xylan content. These phenotypic changes coincided with upregulation of genes involved in cellulose and xylan biosynthetic pathways. Conversely, PagGRF20-RNAi lines displayed opposite phenotypic traits. Molecular analyses revealed that PagGRF20 binds to the TGT[C/T]AGA cis-regulatory elements in the promoters of wood polymer biosynthesis genes, modulating polysaccharide production by activating the glycosyltransferase IRREGULAR XYLEM 14-LIKE (PagIRX14L). Crucially, overexpression of PagIRX14L in poplar increased the xylan content and decreased lignin levels, suggesting that PagGRF20-mediated transcriptional activation of PagIRX14L significantly contributes to the observed shifts in cell wall composition. Additionally, the R2R3-MYB repressor PagMYB4 physically interacts with PagGRF20, forming a transcriptional complex that suppresses lignin biosynthesis genes, including LACCASE 11 (PagLAC11), potentially altering the balance of cell wall components and affecting cellulose and xylan accumulation. Finally, we built a three-layer, PagGRF20-centered regulatory network to uncover the mechanisms and target genes underlying wood formation. Our results suggest that the PagGRF20-PagMYB4 module coordinates secondary cell wall (SCW) biosynthetic pathways, providing novel insights into engineering wood with enhanced polysaccharide deposition and low lignin content.
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