近日，生物科學與技術學院張德強教授課題組在New Phytologist（一區，Top期刊）發表題為“Temporal dynamics of genetic architecture governing leaf development in Populus ”的研究論文。該研究通過引入葉片發育的時間維度表型數據開展動態全基因組關聯分析，系統解析了楊樹葉片發育的遺傳調控機制。研究結果不僅填補了多年生林木葉片發育遺傳基礎不清的空白，也為突破性林木良種選育提供關鍵理論指導。
葉片是植物光合作用的主要場所，也是探索植物器官發育機理良好模式。前人研究表明，葉片發育是細胞增殖與擴張協同作用的多階段連續過程，因此，系統解析發育過程的遺傳基礎，揭示關鍵調控基因動態參與不同階段的分子機理，是深入理解葉片發育機制的關鍵。研究人員以一年生毛白楊種質資源群體為材料，連續追蹤葉片在14個發育時間點的動態變化，并通過回歸模型擬合發育軌跡，精準捕獲生長速率變化等葉片發育的典型特征。進一步聯合葉片14個發育時間點樣本的轉錄組聚類結果與細胞學形態分析發現，楊樹葉片發育可分為細胞增殖、細胞增殖向擴張轉變和細胞擴張三個階段，其葉片發育曲線的變化與發育階段的轉變高度一致（圖1）。
圖1
研究人員基于群體重測序數據和時間維度表型數據開展全基因組關聯分析，發現在毛白楊全基因組鑒定到42個參與特定發育階段的基因和18個參與多個發育階段的基因中，PtoGRF9（Growth regulating factor 9，生長調控因子9）位于共表達網絡的核心，是調控葉片發育的關鍵基因。同時，通過序列分析發現， PtoGRF9外顯子區域存在一個顯著SNP（Single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態性）位點，其突變減弱了miR396a對PtoGRF9轉錄本的剪切效率，導致毛白楊群體內不同個體間葉片表型性狀的顯著分化。
研究結果顯示，基于PtoGRF9轉基因株系葉片的生長曲線擬合結果與細胞學分析證明，PtoGRF9主要參與葉片細胞增殖和轉變階段的調控（圖2）。進一步通過酵母單雜交、EMSA和雙熒光素酶實驗證明，PtoGRF9通過在細胞增殖階段激活PtoHB21的表達，在轉變階段抑制PtoLD的表達，最終負調控葉片發育。綜上所述，該研究揭示了楊樹葉片發育的群體遺傳變異規律，解析了PtoGRF9在楊樹葉片發育中的功能機制，構建了葉片發育的遺傳調控網絡，為認識多年生林木葉片發育的遺傳基礎提供了新見解。
圖2
生物科學與技術學院張德強教授為本論文的通訊作者，畢業博士生李鵬、博士研究生何玉玲和博士后肖亮為論文共同第一作者。博士研究生顧明悅、金卓穎、周嘉旋、李連政、齊薇娜、黃瑞、呂晨飛、王丹，團隊青年教師杜慶章教授、權明洋副教授和薄文浩副教授參與了該研究工作。澳大利亞CSIRO柳青研究員以及加拿大UBC的Yousry A. El-Kassaby教授參與指導了該研究。本研究得到了國家重點研發計劃課題（NO. 2021YFD2200101），國家自然科學基金項目（NO. 32170370與32370396）以及111引智計劃（NO. B20050）等項目的資助。
論文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19649
