Science Advances | 北京林業大學杜慶章課題組揭示毛白楊春季萌芽時間調控新機制

春季萌芽（Bud Break）是北方溫帶和寒帶地區多年生植物在經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劃的重要參考指標。

毛白楊（Populus tomentosa）天然分布區跨越黃河流域大面積區域，氣候、緯度、海拔等環境條件多樣，不同生態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及其分子調控機制研究，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資源群體為材料，綜合利用全基因組關聯分析（GWAS）、環境關聯分析（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的等位基因PtoAGL80.5與PtoFPA.3，并通過遺傳轉化、RNA降解實驗、RNA-EMSA等分子生物學實驗，首次明確了關鍵基因等位變異決定不同生態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境條件的分子基礎與局域適應性規律，為理解樹木如何應對未來氣候變化提供了新的理論依據。

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觀察，并結合基因型重測序及正向遺傳學分析，發現控制春季萌芽時間的主效QTL區間顯著富集于PtoAGL80.5與PtoFPA.3基因簇附近，并確定其攜帶的自然變異構成了調控萌芽啟動的關鍵等位組合。GWAS與表達模式聯合分析顯示，兩個基因的特定單倍型（HAP1）顯著促進萌芽時間提前；環境關聯分析進一步顯示，提前萌芽單倍型在低緯度地區頻率更高，可能是自然選擇下適應局部氣候環境的結果。

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系，研究團隊分別構建了攜帶PtoAGL80.5HAP1與PtoFPA.3HAP1的穩定遺傳轉化體系，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境表型觀察表明，楊樹遺傳轉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，能以高親和力結合 PtoAGL80.5HAP1的mRNA，進而在轉錄后水平促進其蛋白積累。

進一步，PtoAGL80.5可直接結合生長素合成關鍵基因PtoTAR2.1的啟動子區域并調控其表達。其中，PtoAGL80.5HAP1蛋白具有更強的轉錄激活能力，而PtoAGL80.5HAP2因關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，二者呈現明顯的加性效應，形成對PtoTAR2.1逐級放大調控，促使萌芽前IAA積累高峰提前，最終導致萌芽提早發生。研究還發現，物候調控因子 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合，通過構建基因型-環境耦合在未來氣候情景下的分布預測，發現控制萌芽提前的AGL80.5HAP1和PtoFPA.3HAP1在溫暖、干燥及冬季溫度較高的區域具有明顯的適應性優勢，并在未來氣候變暖背景下呈現空間擴張趨勢；而HAP2單倍型在高海拔或冬季溫度較低的寒冷區域保持較高的頻率和適應性，體現出典型的氣候相關的平衡選擇格局。該結果表明，春季萌芽相關自然變異不僅影響局部物候差異，還可以通過調控生長季啟動節律，在樹種地理分布格局形成和長期生態適應中發揮重要作用。在未來氣候變暖背景下，部分北方區域可能面臨“萌芽提前-晚霜風險增高”的潛在適應性沖突，這對林木種質資源區域布局、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計提供了重要案例。

論文第一作者為團隊博士畢業生李連政（現任職于山東省林草種質資源中心）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指導；權明洋副教授、楊欽淞副教授、肖亮副教授以及山東農業大學劉麗君教授、李鵬副教授在研究設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據分析工作。該研究工作受到中央高校青年教師科研創新能力支持項目、中央高校優秀青年團隊項目、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合資助。

文章鏈接：

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