來源：光明網(wǎng)
近日，北京林業(yè)大學(xué)張德強(qiáng)教授課題組通過整合系統(tǒng)發(fā)育地層學(xué)、基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等分析方法，系統(tǒng)解析了楊樹次生維管系統(tǒng)發(fā)育基因組進(jìn)化特征，揭示了楊樹次生維管組織形態(tài)演化的遺傳基礎(chǔ)。研究結(jié)果填補了多年生林木次生維管系統(tǒng)遺傳機(jī)制演化研究的空白，為突破性林木良種選育提供了關(guān)鍵理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果發(fā)表在植物學(xué)期刊NewPhytologist上。
木本植物次生維管系統(tǒng)發(fā)育對森林生態(tài)系統(tǒng)演化具有深遠(yuǎn)影響。該系統(tǒng)主要由木質(zhì)部、形成層與韌皮部構(gòu)成，三者形成及分化的分子調(diào)控機(jī)制差異顯著，其演化軌跡尚未完全解析。
因此，以楊樹次生維管系統(tǒng)為研究對象開展系統(tǒng)發(fā)育研究，對揭示其演化路徑及分子調(diào)控機(jī)制具有重要科學(xué)意義。該項研究選取了代表楊樹五個進(jìn)化分支的六個物種（胡楊、毛白楊、歐洲山楊、毛果楊、美洲黑楊與大葉楊）的基因組，系統(tǒng)發(fā)育分析確定了最古老的祖先譜系（Phylostratum1，PS1）是楊樹基因組的主要遺傳來源。基因家族聚類分析顯示，PS1的基因家族發(fā)生了顯著擴(kuò)張，表明這些古老基因的擴(kuò)張可能塑造了楊樹進(jìn)化的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。
楊樹基因組的系統(tǒng)發(fā)育特征
基于胡楊、毛白楊、歐洲山楊、毛果楊和美洲黑楊等次生維管系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)楊樹次生維管系統(tǒng)中超過61.55%的表達(dá)基因可追溯至PS1，PS1基因在木質(zhì)部、形成層與韌皮部三類組織中均呈現(xiàn)相似的表達(dá)水平，但轉(zhuǎn)錄分化程度差異顯著，且存在組織特異性表達(dá)模式。表明PS1基因的特異性表達(dá)驅(qū)動了楊樹次生維管系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的差異形成。
楊樹莖維管束組織中表達(dá)基因的進(jìn)化轉(zhuǎn)錄組圖譜
楊樹次生維管系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組與共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析顯示，因全基因組復(fù)制事件產(chǎn)生的MYB、NAC和WRKY家族復(fù)制對，由于同源基因?qū)Ρ磉_(dá)不平衡導(dǎo)致了部分家族成員展現(xiàn)出更強(qiáng)的木質(zhì)部特異性表達(dá)模式。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊鑒定了PtoWRKY53調(diào)控楊樹木質(zhì)部發(fā)育的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過楊樹遺傳轉(zhuǎn)化以及DAP-seq、酵母單雜交、EMSA等分子實驗表明，PtoWRKY53通過抑制PtoCESA3（CelluloseSynthase3）的轉(zhuǎn)錄水平，減少了木質(zhì)部纖維細(xì)胞次生壁的沉積，最終負(fù)調(diào)控楊樹木質(zhì)部發(fā)育。
據(jù)介紹，該研究揭示了楊樹次生維管發(fā)育調(diào)控機(jī)制地點演化路徑，系統(tǒng)構(gòu)建了楊樹維管系統(tǒng)發(fā)育的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，深入解析了PtoWRKY53在次生木質(zhì)部發(fā)育中的功能機(jī)制，為深入理解多年生樹木次生維管系統(tǒng)的進(jìn)化奠定了重要理論基礎(chǔ)。
PtoWRKY53對木質(zhì)部細(xì)胞次生細(xì)胞壁發(fā)育的影響
北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張德強(qiáng)教授為本論文的通訊作者，博士研究生黃偉雄、齊薇娜和權(quán)明洋副教授為論文共同第一作者。北京林業(yè)大學(xué)杜芳教授、加拿大UBCYousryA.El-Kassaby教授以及團(tuán)隊多名研究生參與該研究工作。（蔡琳）
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