林木生长是一个复杂的动态性状，在整个生命周期中不断变化，了解生长性状的动态遗传基础对林木遗传改良至关重要。杨树是我国主要的造林树种之一，在保障国家木材安全、推进生态防护建设以及实施“三北”等重点林业工程中，发挥着不可替代的作用。尽管基于静态生长表型的杨树QTL定位已取得重要进展，但其动态生长的遗传机制尚不明确。
近日，我所分子生物学与智慧育种研究室在中科院一区期刊Industrial Crops and Products发表了题为“Unraveling the Genetic Architecture and Candidate Genes Underlying Dynamic Growth in Populus deltoides ‘Danhong’ ´ Populus simonii ‘Tongliao1’”的研究论文。研究团队基于丹红杨和通辽1号杨362个F1杂交子代苗期不同发育时期的表型、高密度遗传图谱和转录组数据，开展Fun-map和FVT-map动态定位以及eQTL分析，系统解析了杨树动态生长的遗传基础，并挖掘出相关的候选基因，为杨树遗传改良提供了理论依据。
图1 苗高和地径平均生长曲线拟合及曲线特征参数分析
研究首先利用Logistic方程对杂交群体不同发育阶段的苗高和地径生长进行曲线拟合，发现苗高经历了约67天的快速伸长阶段，地径经历了约81天的快速径向扩张阶段。另外，还提取了5个特征参数（a：渐进生长值；r:相对生长速率；L：线性生长持续时间；MGR：最大生长速率；Ti：生长拐点时间），其中渐进生长值与线性生长持续时间、最大生长速率和生长拐点时间呈显著正相关，与相对生长速率呈显著负相关。
图2 动态QTL定位及候选基因组织表达分析
通过Fun-map和FVT-map两种动态模型分别鉴定了4个与苗高生长相关的动态QTLs和4个与地径生长相关的动态QTLs，不同基因型在生长上存在显著差异。这些QTL区间内包含20个候选基因，结合其组织表达水平最终筛选了6个可能与杨树生长相关的候选基因。通过eQTL分析，研究人员发现了PtWRKY89外显子区域的一个非同义单核苷酸变异（SNV）作为反式调控位点显著增强了候选基因PtARA1在木质部中的表达水平，突变单倍型个体的生长表现弱于未突变单倍型，表明该SNV可能通过影响PtARA1的转录水平从而抑制杨树生长。相关研究突破了传统静态QTL定位的局限，从动态的角度揭示了杨树生长性状的遗传架构，为杨树遗传改良提供了宝贵的遗传资源。
图3 反式eQTL Chr18_1206493对杨树生长的影响
我所博士研究生田金红、博士后周星鲁为该论文的共同第一作者，张磊助理研究员及胡建军研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFD2200201）和国家自然科学基金（32071797）的支持。（文：张磊/林业所 图：田金红/林业所）