主要成果

工作以来,一直从事落叶松遗传育种工作,揭示了木材形成、生殖阶段转变、复幼的年龄效应机制和体胚发生的miRNA调控机制,为落叶松材性改良、规模化繁育提供理论依据和技术支撑。取得的学术成绩主要包括以下5个方面。

1. 通过分析细胞周期基因及其转录调控因子与温度的关系,阐述了温度调控落叶松休眠解除和恢复活动的机制

比较了落叶松活动期和休眠期的转录组,着重分析了细胞周期基因和转录因子的表达、它们之间的关系以及对温度的响应。发现12个细胞周期基因和31个转录因子(17个家族)在活动期高表达;启动子分析表明,12个细胞周期基因可能受到10个转录因子家族的调控;综合分析显示,来自7个家族的16个转录因子与10个细胞周期基因之间可能存在73个调控事件,而酵母单杂交和双荧光素酶实验证实了其中的2个,涉及到2个转录因子(LaMYB20和LaRAV1)和2个细胞周期基因(LaCDKB1;3和LaCYCB1;1)。

最后,发现LaRAV1和LaCDKB1;3在温度诱导的休眠解除和恢复活动过程中具有相同的表达模式,进一步表明它们位于温度信号下游、参与调控落叶松的休眠解除和恢复活动过程。

这些结果不仅有助于解析温度调控细胞周期基因表达的具体机制,也有助于理解气候变化背景下温度调控树木生长发育的机理,为林木培育提供理论基础。

2. 通过研究轮伐期内落叶松形成层区域结构和转录组变化,阐述了形成层活动和木材形成的年龄效应机制

确定了落叶松轮伐期内形成层活动规律:通过检测活动期不同年龄落叶松顶端主干的木材形成情况,发现形成层区域细胞层数随着树龄的增加先增加而后减少,这和木质部宽度的变化趋势一致,表明年龄影响形成层活动和管胞扩展,为研究细胞分裂和分化间的平衡和协调提供了一个很好的实验体系。

系统分析了轮伐期内落叶松木材形成过程及其调控:分析了活动期不同年龄落叶松顶端主干的转录组变化,发现在生长早期,细胞分裂、分化相关的基因表达上升;而在后期,这些基因都下调表达。这和观测到的形态结果一致,表明轮伐期内树木年龄的增加过程伴随着形成层细胞分裂、分化活动的改变。

以乙烯合成和信号转导为核心,提出了管胞生长调控网络模型:有助于研究裸子植物的木材形成过程,为利用分子手段去改变木材品质提供候选基因。

3. 通过比较幼年期和成年期的转录组,阐述了落叶松生殖阶段转变的转录调控机理

鉴定出落叶松55个家族的4377个转录因子。基于幼年期和成年期差异表达的27个转录因子的功能注释,提出了落叶松生殖阶段转变的调控网络模型:为利用分子手段去改变结实时间提供候选基因,也为检测植物的年龄状态提供分子标记;有助于理解多年生木本裸子植物的有性生殖发育过程。

4. 通过研究年龄相关基因的表达模式,阐述了落叶松复幼的分子机理

重新分析了生殖阶段转变相关的27个转录因子。根据基因表达随年龄的变化,确定了6个年龄相关基因,检测了它们对扦插、嫁接和整形修剪的响应。发现扦插和整形修剪促使植物复幼的同时,还可影响基因的表达,这种影响在14年后还可以被检测到;嫁接后3个月内,砧木更易受接穗的影响而变成熟;6个基因对嫁接的响应不同。这有助于揭示复幼的分子机理。

5. 从miRNA层面揭示了落叶松胚性获得与维持的调控机制

发现miR159和miR171的靶基因LaMYB33和LaSCL6在转录或转录后水平上的表达调控参与落叶松体胚发生。发现基因结构、可变剪切也参与调控LaSCL6表达,为理解LaSCL6的表达调控提供了一新视角。获得了针叶树细胞命运决定受miRNA调控的直接证据,为人工调控非胚性向胚性转化、提高体胚形成效率提供了新思路和重要科学依据。

上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技重大专项、973、863、所长基金等9个项目的支持。发表论文43篇(SCI收录31篇),主要在Tree Physiology、Tree Genetics & Genomes、Journal of Experimental Botany、林业科学研究、Trees、Forests等期刊上,被引用800多次;在国内外学术会议上报告14次,海报展示4次;获得奖励5次。