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Integrating 3D imaging, GWAS, and single-cell transcriptome approaches to elucidate root system architecture in Populus

同源盒 转录组 生物 计算生物学 调节器 基因 遗传建筑学 锌指 基因调控网络 机制(生物学) 分生组织 基因表达调控 遗传学 调节基因 表型 模型系统 系统生物学 细胞生物学 体内 词根(语言学)
作者
Jingjing Li,Wenhao Bo,Chenhao Bu,Jiaxuan Zhou,Peng Li,Mengge Wang,Yuepeng Song,Qing Liu,Yousry A. El‐Kassaby,Deqiang Zhang
出处
期刊:Plant Physiology [Oxford University Press]
卷期号:199 (2) 被引量:2
标识
DOI:10.1093/plphys/kiaf432
摘要

Roots are essential for nutrient uptake and structural stability in trees. Despite their critical role, the genetic determinants underlying root system architecture (RSA) remain poorly understood. In this study, we employed an integrated approach combining automated 3-dimensional (3D) spatial imaging, multiomics analyses, genetic transformation, and molecular experiments to investigate the genetic architecture and regulatory networks governing RSA in Simon poplar (Populus simonii). Here, using a panel of 303 P. simonii accessions collected from different geographical regions in China, we performed a genome-wide association study (GWAS) on 96 RSA traits and identified S-phase kinase-associated protein 2B (PsiSKP2B) as a candidate gene colocalized by 6 traits. By integrating the findings from GWAS, transcriptome, and single-cell RNA-seq (scRNA-seq) analyses, we identified PsiSKP2B as a key regulator of meristematic tissue cells involved in lateral root (LR) development. Overexpression of PsiSKP2B in 84k (Populus alba × Populus glandulosa) had a substantial effect on RSA traits, increasing the number and density of LRs by 65.9% and 98.6%, respectively, compared with wild-type plants. Our in vitro and in vivo assays revealed that PsiSKP2B modulates LR development by interacting with WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 4 (PsiWOX4) or ZINC FINGER HOMEODOMAIN 9 (PsiZHD9), both of which are specifically expressed in atrichoblast cells, thereby activating a regulatory feedback loop. These findings highlight an atrichoblast-dependent regulatory mechanism through which PsiSKP2B governs LR development. Our study not only introduces an advanced image recognition methodology for quantifying RSA traits in P. simonii but also provides a comprehensive multiomics framework for elucidating the genetic and molecular basis of RSA.
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