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，生長恢復的首個可見指標，顯著影響著多年生木本植物的季節(jié)周期、抗逆策略與年生長量，其適應性機制研究相對有限。萌芽時間提前或推遲可能導致顯著生長差異、增加晚霜風險并引起地理適應性偏移，因此一直是引種與育種區(qū)劃的重要參考指標。

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)型個體存在顯著的物候性狀變異與局域適應性差異。因此，在自然群體水平上，開展毛白楊春季萌芽時間變異的遺傳基礎(chǔ)及其分子調(diào)控機制研究，具有重要的科學價值與應用潛力。

近日，北京林業(yè)大學生物學院/林木遺傳育種全國重點實驗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，精準鑒定出兩個與春季萌芽時間顯著相關(guān)的等位基因PtoAGL80.5與PtoFPA.3，并通過遺傳轉(zhuǎn)化、RNA降解實驗、RNA-EMSA等分子生物學實驗，首次明確了關(guān)鍵基因等位變異決定不同生態(tài)型個體萌芽時間差異的機制，揭示了其通過生長素（IAA）合成途徑調(diào)控楊樹春季萌芽分化的等位遺傳模式，闡明了毛白楊適應不同氣候環(huán)境條件的分子基礎(chǔ)與局域適應性規(guī)律，為理解樹木如何應對未來氣候變化提供了新的理論依據(jù)。

研究團隊通過對毛白楊自然群體春季萌芽時間進行年際連續(xù)觀察，并結(jié)合基因型重測序及正向遺傳學分析，發(fā)現(xiàn)控制春季萌芽時間的主效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)控萌芽啟動的關(guān)鍵等位組合。GWAS與表達模式聯(lián)合分析顯示，兩個基因的特定單倍型（HAP1）顯著促進萌芽時間提前；環(huán)境關(guān)聯(lián)分析進一步顯示，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間的因果關(guān)系，研究團隊分別構(gòu)建了攜帶PtoAGL80.5HAP1與PtoFPA.3HAP1的穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系，并進行完整的休眠誘導-萌芽周期試驗，溫室和不同緯度大田環(huán)境表型觀察表明，楊樹遺傳轉(zhuǎn)化株系在休眠解除后，頂芽伸長啟動均顯著早于野生型，證實自然變異直接導致物候時間差異。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，能以高親和力結(jié)合 PtoAGL80.5HAP1的mRNA，進而在轉(zhuǎn)錄后水平促進其蛋白積累。

進一步，PtoAGL80.5可直接結(jié)合生長素合成關(guān)鍵基因PtoTAR2.1的啟動子區(qū)域并調(diào)控其表達。其中，PtoAGL80.5HAP1蛋白具有更強的轉(zhuǎn)錄激活能力，而PtoAGL80.5HAP2因關(guān)鍵氨基酸改變導致激活活性下降。當PtoAGL80.5HAP1與PtoFPA.3HAP1同時存在時，二者呈現(xiàn)明顯的加性效應，形成對PtoTAR2.1逐級放大調(diào)控，促使萌芽前IAA積累高峰提前，最終導致萌芽提早發(fā)生。研究還發(fā)現(xiàn)，物候調(diào)控因子 PtoSOC1（促進頂芽恢復生長的核心MADS-Box基因），可通過增強PtoFPA.3-PtoAGL80.5-PtoTAR2.1這一生長素調(diào)控軸，加速頂芽再生程序啟動，從而放大了自然等位變異對萌芽時間的疊加效應，形成了“自然變異-生長素合成-萌芽啟動”的完整分子通路。

研究還將基因型頻率分布與氣候適應性預測模型相結(jié)合，通過構(gòu)建基因型-環(huán)境耦合在未來氣候情景下的分布預測，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)域具有明顯的適應性優(yōu)勢，并在未來氣候變暖背景下呈現(xiàn)空間擴張趨勢；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，還可以通過調(diào)控生長季啟動節(jié)律，在樹種地理分布格局形成和長期生態(tài)適應中發(fā)揮重要作用。在未來氣候變暖背景下，部分北方區(qū)域可能面臨“萌芽提前-晚霜風險增高”的潛在適應性沖突，這對林木種質(zhì)資源區(qū)域布局、樹種適地適栽、引種風險評估及造林良種前瞻性配置具有指導意義，為多年生林木樹種開展未來育種設(shè)計提供了重要案例。

論文第一作者為團隊博士畢業(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)大學林木分子育種團隊負責人張德強教授為本研究提供了全面學術(shù)指導；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)大學劉麗君教授、李鵬副教授在研究設(shè)計和論文完善過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嬌參與了該研究實驗與數(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)新能力支持項目、中央高校優(yōu)秀青年團隊項目、國家自然科學基金面上項目、北京市科技新星交叉項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