梭梭WOX转录因子家族鉴定及HaWOX29和HaWOX54在根生长中的功能研究

doi:10.11686/cyxb2025061

摘要/Abstract

摘要：

荒漠植物梭梭具有发达的根系，其侧根可寄生中药肉苁蓉，使得梭梭在荒漠治理和荒漠区社会发展中具有重要的生态和经济价值。WOX转录因子参与植物根的生长发育，本研究从梭梭全基因组数据中鉴定出64个WOX转录因子家族成员，根据前期转录组分析结果，筛选克隆了在根中表达量高的HaWOX29和HaWOX54；qPCR分析表明，HaWOX29和HaWOX54在根中的表达量明显高于其他组织，干旱、盐及高温胁迫下下调表达，低温和吲哚乙酸（IAA）、脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）处理下上调表达；利用农杆菌介导法侵染梭梭种胚，获得过表达HaWOX29和HaWOX54的植株，表型和根系扫描分析发现过表达HaWOX29的梭梭平均主根根长是转空载体对照组的2.49倍；过表达HaWOX54植株主根根长是空载体的2.08倍，平均分支数是4.34倍。因此初步推测HaWOX29基因可能参与梭梭主根的伸长，HaWOX54基因可能参与梭梭侧根的发育和主根的伸长。本研究筛选鉴定参与梭梭根生长发育的WOX转录因子，为研究梭梭根发育的分子机制和筛选优异的梭梭种质资源提供了理论和技术指导。

关键词: 梭梭, WOX转录因子, 根发育, 分子机制

Abstract:

The desert plant Haloxylon ammodendron， commonly known as sorghum or saxaul， has a well-developed root system characterized by lateral roots that are capable of parasitizing the traditional Chinese medicine plant Cistanche deserticola. This trait endows H. ammodendron with significant ecological and economic value for desert management and for the social development of desert regions. In plants， WOX transcription factors play a crucial role in the growth and development of roots. In this study， we identified 64 members of the WOX transcription factor family from the H. ammodendron genome. Building upon previous transcriptome analysis results， we screened and cloned the genes HaWOX29 and HaWOX54， which exhibited high transcript levels in the roots. Quantitative PCR analysis indicated that the transcript levels of HaWOX29 and HaWOX54 were obvious higher in roots than in other tissues， and that both of these genes were down-regulated under drought， salt， and high-temperature stresses. Conversely， they were up-regulated under low-temperature conditions and treatments with various hormones， namely indole-3-acetic acid， abscisic acid， and salicylic acid. Through Agrobacterium-mediated transformation， we obtained plants overexpressing HaWOX29 and HaWOX54. Phenotypic and root scanning analyses revealed that the average primary root length of the HaWOX29-overexpressing plants was 2.49-times than that of the control group （transformed with the empty vector）. The primary roots of the HaWOX54-overexpressing plants were 2.08-times longer than those of the control group， and the average root branching number was 4.34-times greater. Thus， we concluded that HaWOX29 may facilitate the elongation of primary roots in H. ammodendron， while HaWOX54 may be implicated in the development of lateral roots and the elongation of primary roots. The results of this study identify WOX transcription factors associated with the growth and development of H. ammodendron roots， offering theoretical and practical guidance for investigating the molecular mechanisms underlying root development and for screening superior germplasm resources of H. ammodendron.

Key words: Haloxylon ammodendron, WOX transcription factors, root development, molecular mechanisms

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图/表 12

表1 本研究所用引物

Table 1 Primers used in this study

基因 Gene	正向引物 Forward primer （5′→3′）	反向引物 Reverse primer （5′→3′）	用途 Usage
HaWOX29	ATGATGATGAACAAACGAAGGTTCAC	TCAGGACCAAAAGTCCCACCA	克隆Cloning
HaWOX54	ATGCAAGGTGGTGAAGATAATACAGTG	TTACATTTGATAAAAGTCAGCCCAATCCA	克隆Cloning
Ha18SrRNA	CTCTGCCCGTTGCTCTGATGAT	CCTTGGATGTGGTAGCCGTTTC	qRT-PCR
HaWOX29	AGCTCGTTACAAGTCTAAGCAAC	AGATCCTCGAATCGTTTAGCAAG	qRT-PCR
HaWOX54	CCCAACAAATGCCTCCACAACA	TACTGCCCTCACTCTTGCTCT	qRT-PCR
pCAMBIA3301-HaWOX29	TGACCATGGTAGATCTATGATGATGAACAAACGAAGGTTCACTG	ATTCGAGCTGGTCACCTCAGGACCAAAAGTCCCACCATTG	同源重组Homologous recombination
pCAMBIA3301-HaWOX54	TGACCATGGTAGATCTATGCAAGGTGGTGAAGATAATACAGTGG	ATTCGAGCTGGTCACCTTACATTTGATAAAAGTCAGCCCAATCCATACT	同源重组Homologous recombination
PGBKT7-HaWOX29	CATGGAGGCCGAATTCATGATGATGAACAAACGAAGGTTCACTG	GCAGGTCGACGGATCCTCAGGACCAAAAGTCCCACCATTG	同源重组Homologous recombination
PGBKT7-HaWOX54	CATGGAGGCCGAATTCATGCAAGGTGGTGAAGATAATACAGT	GCAGGTCGACGGATCCTTACATTTGATAAAAGTCAGCCCAATCCATACT	同源重组Homologous recombination

图1 植物过表达载体构建A： pCAMBIA3301载体图谱Map of the pCAMBIA3301 vector； B： pCAMBIA3301-35s-HaWOX29/54植物过表达载体图谱Map of the pCAMBIA3301-35s-HaWOX29/54 plant overexpression vector.

Fig.1 Construction of plant overexpression vector

图2 梭梭WOX家族成员生物信息学分析A：梭梭WOX家族染色体定位Chromosomal localization of the H. ammodendron WOX family；B：基因结构和保守基序分析 Gene structure and conserved motif analysis.

Fig.2 Bioinformatics analysis of the WOX family members in H. ammodendron

图3 梭梭HaWOX29和HaWOX54基因克隆及与其他物种蛋白构建的发育树M： 2K DNA标记 2K DNA Marker； 1： HaWOX29， 678 bp； 2： HaWOX54， 654 bp； B： HaWOXs蛋白系统发育树Phylogenetic tree of HaWOXs proteins.

Fig.3 Cloning of the HaWOX29 and HaWOX54 genes in H. ammodendron and constructon of phylogenetic tree with proteins from other species

表2 启动子顺式作用元件预测

Table 2 Prediction of cis-acting elements in promoters

基因名称 Gene name	元件名称 Component name	核心序列 Core sequence	元件位置 Component location	参考物种 Reference species	元件功能 Component function
HaWOX29	GATA基序GATA-motif	AAGGATAAGG	451（-）	马铃薯Solanum tuberosum	参与部分光响应元件Part of a light responsive element
	CAT框CAT-box	GCCACT	98（-）	拟南芥A. thaliana	调控分生组织元件Element related to meristem expression
	MYB结合位点MYB binding site	CAACTG	282（+）	拟南芥A. thaliana	参与干旱响应元件Participate in drought response elements
HaWOX54	TGACG基序TGACG-motif	TGACG	466（-）	大麦H. vulgare	参与茉莉酸甲酯响应元件Element involved in the MeJA-responsiveness
	CGTCA基序CGTCA-motif	CGTCA	466（+）	大麦H. vulgare	参与茉莉酸甲酯响应元件Element involved in the MeJA-responsiveness
	ABA反应元件ABA responsive element	ACGTG	613（+）	拟南芥A. thaliana	参与脱落酸反应Involved in the abscisic acid responsiveness

图4 HaWOX29和HaWOX54基因表达模式分析A：HaWOX29和HaWOX54在梭梭不同组织中的表达量Expression levels of HaWOX29 and HaWOX54 in different tissues of the H. ammodendron；B：HaWOX29和HaWOX54在逆境胁迫和激素处理下的表达Expression of HaWOX29 and HaWOX54 under stress and hormone treatment；PEG：聚乙二醇Polyethylene glycol； IAA：吲哚乙酸Indole-3-acetic acid； ABA：脱落酸Abscisic acid； SA：水杨酸Salicylic acid； MeJA：茉莉酸甲酯Methyl jasmonate.

Fig.4 Analysis of the expression patterns of HaWOX29 and HaWOX54 genes

图5 HaWOX29和HaWOX54蛋白转录自激活活性验证

Fig.5 Verification of the transcriptional self-activation activity of HaWOX29 and HaWOX54 proteins

图6 菌液PCR验证A： pCAMBIA3301-HaWOX29菌液验证Verification of the pCAMBIA3301-HaWOX29 bacterial liquid； B： pCAMBIA3301-HaWOX54菌液验证Verification of the pCAMBIA3301-HaWOX54 bacterial liquid； 1： HaWOX29-F， PolyA-R； 2， 5： 35s-F， 35s-R； 3， 6：草丁膦PPT-F，草丁膦PPT-R； 4： HaWOX54-F， PolyA-R.

Fig.6 Verification by PCR of the fungal liquid

图7 农杆菌介导梭梭种胚侵染过程A：梭梭种胚划伤处理Treatment of injuries to the seeds of the H. ammodendron embryo； B：共培养阶段Co-culture stage； C：头孢霉素延迟筛选阶段Delay screening phase for cephalosporin； D：除草剂抗性筛选阶段Herbicide resistance screening phase.

Fig.7 The process of Agrobacterium-mediated transformation in H. ammodendron embryos

图8 梭梭OE_HaWOXs基因植株表型

Fig.8 Phenotypes of OE_HaWOXs transgenic H. ammodendron plants

表3 梭梭根系指标

Table 3 Root system indicators of H. ammodendron

株系

Plants

总根长

Total root length （cm）

表面积

Surface area （cm²）

根直径

Root diameter （mm）

根体积

Root volume （mm²）

根尖数

Number of root tips

分支数

Number of branches

图9 转基因梭梭苗分子鉴定和qRT-PCR验证A： OE_HaWOXs基因分子鉴定Molecular identification of the OE_HaWOXs gene； 1：水water； 2： OE_HaWOX29； 3： OE_HaWOX54； B： qRT-PCR验证HaWOX29和HaWOX54的基因表达量qRT-PCR validation of the expression levels of HaWOX29 and HaWOX54 genes. 不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。Different lowercase letters indicate significant differences （P<0.05）.

Fig.9 Molecular identification of transgenic H. ammodendron seedlings and qRT-PCR validation

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