近日，北京林业大学生物科学与技术学院/林木遗传育种全国重点实验室杜庆章教授课题组在New Phytologist（一区，Top期刊）发表了题为“Rare variations within the serine/arginine-rich splicing factor PtoRSZ21 modulate stomatal size to determine drought tolerance in Populus ”的研究论文。该研究以全球五种代表性杨树种质群体稀有变异位点（最小等位基因频率MAF<5%）分布特征和遗传规律为基础，组合利用数量遗传学、分子遗传学与分子生物学等系统遗传学研究策略，揭示了 ptorsz21的稀有变异位点调控杨树气孔和抗旱性的分子机制。
研究表明，多年生林木物种与经历了重复人工选择的作物不同，群体进化速率低、有效种群规模大，限制了随机遗传漂变导致的等位基因丢失，保留了更高比例的稀有遗传多态性。事实上，由于纯化选择的长期影响，木本植物稀有遗传变异会持续存在，并且比作物更有可能在决定复杂性状方面扮演关键角色。然而，当前，木本植物全基因组稀有变异分布特征和功能机制研究十分有限。本研究以北半球主要生态和能源树种—杨树为材料，以全球五个代表性杨树自然种群重测序数据为基础，发现了基因组稀有变异位点自然选择特征和突变偏好性，揭示了稀有变异在诱导氨基酸变化和基因表达调控方面的显著效应。非生物胁迫处理的RNA-seq显示，约1/3的富集基因受到非生物胁迫处理的影响，强调了稀有变异在调控非生物胁迫中的重要性（图1）。
图1 5种杨树基因组稀有SNP的特征分析
为进一步揭示全基因组稀有变异对非生物胁迫的综合遗传效应，研究人员分别利用全基因组常见和稀有SNP变异对毛白杨自然群体气孔性状进行了遗传力分析。研究结果发现常见和稀有SNP共同解释的遗传力超过了单独利用常见SNP估计的遗传力，证实了稀有变异对气孔性状遗传力的贡献。联合利用4种稀有变异全基因组关联分析方法，精准定位到75个与气孔大小和密度显著相关的候选基因，结合杂交群体的eQTN定位，最终确定了富含丝氨酸精氨酸的剪切因子 PtoRSZ21 作为影响杨树气孔大小和抗旱性的候选基因。过表达和RNAi介导的 PtoRSZ21 转基因株系气孔及抗旱性明显改变，验证了 PtoRSZ21 在调控气孔大小和耐旱性的作用（图2）。
图2 PtoRSZ21转基因株系在正常和干旱条件下的表型检测
为进一步解析 PtoRSZ21 调控气孔大小和耐旱性的分子机制，研究人员进行了可变剪切分析以及一系列分子生物学实验创新，证明了PtoRSZ21作为剪接体的潜在组分，通过与核心剪接因子PtoU1-70K及其他SR蛋白相互作用，调控自噬相关基因 PtoATG2 的可变剪切。这导致抗旱剪切变体 PtoATG2b 的增加和过量的ROS积累，从而影响气孔大小和耐旱性。进一步序列分析发现 PtoRSZ21 启动子区存在两种单倍型（ PtoRSZ21 hap1和 PtoRSZ21 hap2）与干旱适应相关，携带 PtoRSZ21 hap2稀有单倍型的个体显著降低了气孔调节因子PtoMYB61的结合亲和力，最终导致 PtoRSZ21 的表达水平下降和抗旱性的降低（图3）。本研究为杨树可变剪切影响的耐旱性响应机制提供了见解，验证挖掘的主效基因及稀有变异将进一步推动抗逆杨树品种分子设计育种工作，加快我国林木现代育种进程，提升国际同领域科技竞争力。
图3 PtoRSZ21及其稀有变异调控气孔大小和干旱胁迫的分子模型
杜庆章教授为本论文通讯作者，博士研究生黄瑞为论文第一作者。林木分子育种团队负责人张德强教授对该研究设计提供了全面指导；北京林业大学权明洋副教授、赵瑞副教授、杜亮副教授、李中海教授和山东农业大学刘丽君教授及团队多名研究生参与该研究工作。本研究得到了科技创新2030-重大专项、中央高校优秀青年创新团队项目、北京市自然科学基金、浙江省重点研发项目、国家自然科学基金项目、霍英东青年教师基金和111引智计划的联合资助。
