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日前，北京農學院、北京林業大學張德強教授團隊在國際頂尖期刊《植物細胞》雜志在線發表了題為“楊樹脯氨酸4-羥化酶基因變異調控樹干動態生長的分子機制”的研究論文。該研究通過引入時間維度作為表型挖掘了調控毛白楊胸徑多年生動態生長的重要功能基因PtoP4H9（脯氨酸4-羥化酶），揭示了該基因通過調控細胞壁的化學修飾來促進樹干縱向生長的分子生物學機制。該研究結果不僅填補了國內外樹木多年生動態生長的遺傳調控機制一直不清楚的技術空白，還將會為木材產量與品質遺傳改良、精準育種等卡脖子問題提供關鍵理論指導與技術支撐，具有重要的科學價值和社會價值。

團隊研究人員以毛白楊種質資源群體中303株個體為材料，連續8年對其主干進行表型測定，并通過擬合生長軌跡模型精準捕獲多年生生長速率等典型特征。隨后利用全基因組關聯分析策略和時空表達數據，定位到一個控制毛白楊胸徑性狀的關鍵基因PtoP4H9。綜合序列分析發現，該基因序列變異形成的單體型PtoP4H9hap2啟動子區域存在GA-rich motif，其為轉錄因子PtoBPC1的結合位點；而PtoP4H9hap1啟動子區域則缺少這一序列特征。通過對毛白楊種質資源群體不同個體的組織特異性定量表達分析表明，PtoP4H9hap1在形成層組織中比PtoP4H9hap2有更高的表達量。電泳遷移率檢測和表面等離子共振等分子互作實驗證實了轉錄因子PtoBPC1與PtoP4H9hap2的結合能力顯著高于PtoP4H9hap1（圖1），表明PtoP4H9啟動子的自然變異影響了其上游轉錄因子的結合效率，進而改變了PtoP4H9的表達水平。

圖1 PtoP4H9基因的自然變異與毛白楊胸徑性狀顯著關聯

隨后，基于PtoP4H9基因的RNA干擾與過量表達楊樹遺傳轉化、MALDI飛行質譜和原子力顯微鏡分析（AFM）等，揭示了PtoP4H9通過調控細胞壁上HRGPs（羥脯氨酸糖蛋白）的羥脯氨酸修飾水平改變了細胞壁剛性，從而促進細胞擴張，最終導致莖的增粗（圖2）。

圖2 PtoP4H9參與細胞壁修飾改變細胞壁剛性

研究中，團隊人員鑒定到一個控制多年生莖動態生長的關鍵基因，這為科學認識多年生林木生長的遺傳調控奧秘提供了新見解，也為林木速生優質分子設計育種、提高人工林生產力、保障木材戰略安全開辟了新路徑。

圖3 PtoP4H9調控毛白楊徑向生長的分子機制

北京農學院/北京林業大學林木分子育種團隊張德強教授為本文通訊作者，團隊博士后肖亮、博士研究生房媛媛及北京大學現代農學院博士后張禾為論文共同第一作者。北京林業大學權明洋副教授、吉驪副教授、杜慶章教授參與了該研究工作。瑞典農業大學P[gf]e4[/gf]r K Ingvarsson教授、Harry Wu教授以及UBC的Yousry A. El-Kassaby教授對該項工作給予了指導。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、浙江省科技廳重點研發計劃及111引智計劃等項目資助。（戰釗）

論文鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koad212/7233857.

來源：光明網

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