春季萌芽（Bud Break）是北方溫帶和寒帶地區(qū)多年生植物在經(jīng)歷冬季休眠和低溫脅迫后，生長(zhǎng)恢復(fù)的首個(gè)可見(jiàn)指標(biāo)，顯著影響著多年生木本植物的季節(jié)周期、抗逆策略與年生長(zhǎng)量，其適應(yīng)性機(jī)制研究相對(duì)有限。萌芽時(shí)間提前或推遲可能導(dǎo)致顯著生長(zhǎng)差異、增加晚霜風(fēng)險(xiǎn)并引起地理適應(yīng)性偏移，因此一直是引種與育種區(qū)劃的重要參考指標(biāo)。

毛白楊（Populus tomentosa）天然分布區(qū)跨越黃河流域大面積區(qū)域，氣候、緯度、海拔等環(huán)境條件多樣，不同生態(tài)型個(gè)體存在顯著的物候性狀變異與局域適應(yīng)性差異。因此，在自然群體水平上，開(kāi)展毛白楊春季萌芽時(shí)間變異的遺傳基礎(chǔ)及其分子調(diào)控機(jī)制研究，具有重要的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用潛力。

近日，北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院/林木遺傳育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜慶章教授課題組在Science Advances上發(fā)表了題為Natural variants ofAGL80.5andFPA.3contribute to bud break timing in poplar by controlling auxin biosynthesis的研究論文。該研究以毛白楊種質(zhì)資源群體為材料，綜合利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）、環(huán)境關(guān)聯(lián)分析（GEA）及選擇性清除分析，精準(zhǔn)鑒定出兩個(gè)與春季萌芽時(shí)間顯著相關(guān)的等位基因PtoAGL80.5與PtoFPA.3，并通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化、RNA降解實(shí)驗(yàn)、RNA-EMSA等分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，首次明確了關(guān)鍵基因等位變異決定不同生態(tài)型個(gè)體萌芽時(shí)間差異的機(jī)制，揭示了其通過(guò)生長(zhǎng)素（IAA）合成途徑調(diào)控楊樹(shù)春季萌芽分化的等位遺傳模式，闡明了毛白楊適應(yīng)不同氣候環(huán)境條件的分子基礎(chǔ)與局域適應(yīng)性規(guī)律，為理解樹(shù)木如何應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化提供了新的理論依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)毛白楊自然群體春季萌芽時(shí)間進(jìn)行年際連續(xù)觀察，并結(jié)合基因型重測(cè)序及正向遺傳學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)控制春季萌芽時(shí)間的主效QTL區(qū)間顯著富集于PtoAGL80.5與PtoFPA.3基因簇附近，并確定其攜帶的自然變異構(gòu)成了調(diào)控萌芽啟動(dòng)的關(guān)鍵等位組合。GWAS與表達(dá)模式聯(lián)合分析顯示，兩個(gè)基因的特定單倍型（HAP1）顯著促進(jìn)萌芽時(shí)間提前；環(huán)境關(guān)聯(lián)分析進(jìn)一步顯示，提前萌芽單倍型在低緯度地區(qū)頻率更高，可能是自然選擇下適應(yīng)局部氣候環(huán)境的結(jié)果。

為探究提前萌芽型等位基因的功能及其與萌芽時(shí)間的因果關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)分別構(gòu)建了攜帶PtoAGL80.5HAP1與PtoFPA.3HAP1的穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系，并進(jìn)行完整的休眠誘導(dǎo)-萌芽周期試驗(yàn)，溫室和不同緯度大田環(huán)境表型觀察表明，楊樹(shù)遺傳轉(zhuǎn)化株系在休眠解除后，頂芽伸長(zhǎng)啟動(dòng)均顯著早于野生型，證實(shí)自然變異直接導(dǎo)致物候時(shí)間差異。在分子層面，PtoFPA.3兩種等位型在RNA剪接和蛋白穩(wěn)定性方面存在顯著差異，其中PtoFPA.3HAP1功能更強(qiáng)，能以高親和力結(jié)合 PtoAGL80.5HAP1的mRNA，進(jìn)而在轉(zhuǎn)錄后水平促進(jìn)其蛋白積累。

進(jìn)一步，PtoAGL80.5可直接結(jié)合生長(zhǎng)素合成關(guān)鍵基因PtoTAR2.1的啟動(dòng)子區(qū)域并調(diào)控其表達(dá)。其中，PtoAGL80.5HAP1蛋白具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄激活能力，而PtoAGL80.5HAP2因關(guān)鍵氨基酸改變導(dǎo)致激活活性下降。當(dāng)PtoAGL80.5HAP1與PtoFPA.3HAP1同時(shí)存在時(shí)，二者呈現(xiàn)明顯的加性效應(yīng)，形成對(duì)PtoTAR2.1逐級(jí)放大調(diào)控，促使萌芽前IAA積累高峰提前，最終導(dǎo)致萌芽提早發(fā)生。研究還發(fā)現(xiàn)，物候調(diào)控因子 PtoSOC1（促進(jìn)頂芽恢復(fù)生長(zhǎng)的核心MADS-Box基因），可通過(guò)增強(qiáng)PtoFPA.3-PtoAGL80.5-PtoTAR2.1這一生長(zhǎng)素調(diào)控軸，加速頂芽再生程序啟動(dòng)，從而放大了自然等位變異對(duì)萌芽時(shí)間的疊加效應(yīng)，形成了“自然變異-生長(zhǎng)素合成-萌芽啟動(dòng)”的完整分子通路。

研究還將基因型頻率分布與氣候適應(yīng)性預(yù)測(cè)模型相結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建基因型-環(huán)境耦合在未來(lái)氣候情景下的分布預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)控制萌芽提前的AGL80.5HAP1和PtoFPA.3HAP1在溫暖、干燥及冬季溫度較高的區(qū)域具有明顯的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)，并在未來(lái)氣候變暖背景下呈現(xiàn)空間擴(kuò)張趨勢(shì)；而HAP2單倍型在高海拔或冬季溫度較低的寒冷區(qū)域保持較高的頻率和適應(yīng)性，體現(xiàn)出典型的氣候相關(guān)的平衡選擇格局。該結(jié)果表明，春季萌芽相關(guān)自然變異不僅影響局部物候差異，還可以通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)季啟動(dòng)節(jié)律，在樹(shù)種地理分布格局形成和長(zhǎng)期生態(tài)適應(yīng)中發(fā)揮重要作用。在未來(lái)氣候變暖背景下，部分北方區(qū)域可能面臨“萌芽提前-晚霜風(fēng)險(xiǎn)增高”的潛在適應(yīng)性沖突，這對(duì)林木種質(zhì)資源區(qū)域布局、樹(shù)種適地適栽、引種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及造林良種前瞻性配置具有指導(dǎo)意義，為多年生林木樹(shù)種開(kāi)展未來(lái)育種設(shè)計(jì)提供了重要案例。

論文第一作者為團(tuán)隊(duì)博士畢業(yè)生李連政（現(xiàn)任職于山東省林草種質(zhì)資源中心）以及博士生黃瑞、金卓穎。通訊作者為杜慶章教授。北京林業(yè)大學(xué)林木分子育種團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張德強(qiáng)教授為本研究提供了全面學(xué)術(shù)指導(dǎo)；權(quán)明洋副教授、楊欽淞副教授、肖亮副教授以及山東農(nóng)業(yè)大學(xué)劉麗君教授、李鵬副教授在研究設(shè)計(jì)和論文完善過(guò)程中給予了寶貴建議；博士生周嘉旋、田崇德、張東海、鐘磊石以及碩士生張夢(mèng)嬌參與了該研究實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析工作。該研究工作受到中央高校青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目、中央高校優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京市科技新星交叉項(xiàng)目與教育部霍英東青年教師基金等聯(lián)合資助。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz6824