杨树叶片如何长大？我国科学家找到关键基因PtoGRF9
近日，北京林业大学张德强教授课题组在New Phytologist发表的题为“Temporal dynamics of genetic architecture governing leaf development in Populus”的研究论文。
该研究通过引入叶片发育的时间维度表型数据，通过动态全基因组关联分析，系统解析了杨树叶片发育的遗传调控机制。研究结果不仅填补了多年生林木叶片发育遗传基础不清的空白，也为突破性林木良种选育提供关键理论指导。
叶片是植物光合作用的主要场所，也是探索植物器官发育机理良好模式。据研究表明，叶片发育是细胞增值与扩张协同作用的多阶段连续过程，因此，系统解析发育过程的遗传基础，揭示关键调控基因动态参与不同阶段的分子机理，是深入理解叶片发育机制的关键。
研究人员以一年生毛白杨种质资源群体为材料，连续追踪叶片在14个发育时间点的动态变化，并通过回归模型拟合发育轨迹，精准捕获生长速率变化等叶片发育的典型特征。进一步联合叶片14个发育时间点样本的转录组聚类结果与细胞学形态分析发现，杨树叶片发育可分为细胞增殖、细胞增殖向扩张转变和细胞扩张三个阶段，其叶片发育曲线的变化与发育阶段的转变高度一致（图1）。
图1 叶片时间序列表型变异及转录组聚类
研究人员基于群体重测序数据和时间维度表型数据开展全基因组关联分析，发现在毛白杨全基因组鉴定到42个参与特定发育阶段的基因和18个参与多个发育阶段的基因中，PtoGRF9（Growth regulating factor 9，生长调控因子9）位于共表达网络的核心，是调控叶片发育的关键基因。同时，通过序列分析发现，PtoGRF9外显子区域存在一个显著SNP（Single nucleotide polymorphism，单核苷酸多态性）位点，其突变减弱了miR396a对PtoGRF9转录本的剪切效率，导致毛白杨群体内不同个体间叶片表型性状的显著分化。
研究结果显示，基于PtoGRF9转基因株系叶片的生长曲线拟合结果与细胞学分析证明，PtoGRF9主要参与叶片细胞增殖和转变阶段的调控（图2）。进一步通过酵母单杂交、EMSA和双荧光素酶实验证明，PtoGRF9通过在细胞增殖阶段激活PtoHB21的表达，在转变阶段抑制PtoLD的表达，最终负调控叶片发育。
图2 PtoGRF9抑制叶片发育过程中的细胞增殖
据了解，该研究揭示了杨树叶片发育的群体遗传变异规律，解析了PtoGRF9在杨树叶片发育中的功能机制，构建了叶片发育的遗传调控网络，为认识多年生林木叶片发育的遗传基础提供了新见解。
近日，北京林业大学张德强教授课题组在New Phytologist发表的题为“Temporal dynamics of genetic architecture governing leaf development in Populus”的研究论文。
该研究通过引入叶片发育的时间维度表型数据，通过动态全基因组关联分析，系统解析了杨树叶片发育的遗传调控机制。研究结果不仅填补了多年生林木叶片发育遗传基础不清的空白，也为突破性林木良种选育提供关键理论指导。
叶片是植物光合作用的主要场所，也是探索植物器官发育机理良好模式。据研究表明，叶片发育是细胞增值与扩张协同作用的多阶段连续过程，因此，系统解析发育过程的遗传基础，揭示关键调控基因动态参与不同阶段的分子机理，是深入理解叶片发育机制的关键。
研究人员以一年生毛白杨种质资源群体为材料，连续追踪叶片在14个发育时间点的动态变化，并通过回归模型拟合发育轨迹，精准捕获生长速率变化等叶片发育的典型特征。进一步联合叶片14个发育时间点样本的转录组聚类结果与细胞学形态分析发现，杨树叶片发育可分为细胞增殖、细胞增殖向扩张转变和细胞扩张三个阶段，其叶片发育曲线的变化与发育阶段的转变高度一致（图1）。
图1 叶片时间序列表型变异及转录组聚类
研究人员基于群体重测序数据和时间维度表型数据开展全基因组关联分析，发现在毛白杨全基因组鉴定到42个参与特定发育阶段的基因和18个参与多个发育阶段的基因中，PtoGRF9（Growth regulating factor 9，生长调控因子9）位于共表达网络的核心，是调控叶片发育的关键基因。同时，通过序列分析发现，PtoGRF9外显子区域存在一个显著SNP（Single nucleotide polymorphism，单核苷酸多态性）位点，其突变减弱了miR396a对PtoGRF9转录本的剪切效率，导致毛白杨群体内不同个体间叶片表型性状的显著分化。
研究结果显示，基于PtoGRF9转基因株系叶片的生长曲线拟合结果与细胞学分析证明，PtoGRF9主要参与叶片细胞增殖和转变阶段的调控（图2）。进一步通过酵母单杂交、EMSA和双荧光素酶实验证明，PtoGRF9通过在细胞增殖阶段激活PtoHB21的表达，在转变阶段抑制PtoLD的表达，最终负调控叶片发育。
图2 PtoGRF9抑制叶片发育过程中的细胞增殖
据了解，该研究揭示了杨树叶片发育的群体遗传变异规律，解析了PtoGRF9在杨树叶片发育中的功能机制，构建了叶片发育的遗传调控网络，为认识多年生林木叶片发育的遗传基础提供了新见解。
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