近日，中国农业科学院烟草研究所在低温诱导植物早花的遗传机制解析中取得进展，相关研究成果发表在《分子生态（Molecular Ecology）》（中科院一区Top）。
可塑性是指当环境变化时不同基因型的个体对同一环境变化的响应不同。例如，低温会诱导部分作物品种产生早花，而造成作物大面积减产，但有一些品种花期不变，也有一些品种花期反而会延长。即同样面临低温的环境变化时，部分品种花期延长、部分品种花期不变、部分品种花期缩短，表现出花期可塑性的连续变异。
农林业生产中不同产区自然地理条件差异非常大。由于可塑性影响，作物、林木品种区域化特征突出。品种选育和适配过程中经常需要开展多年、多点的试验，以评价遗传材料的特性、确立最佳生态区，实现基因型与环境的精准适配。鉴于可塑性在农林业生产和植物演化中的重要作用，解析可塑性的遗传变异机制、阐明基因和环境共同决定性状变异的遗传本质，对认识物种演化、动植物遗传改良和人类疾病发生发展具有重要的理论和现实意义。已经连续多年成为演化生物学、数量遗传学、人类遗传学、动植物遗传育种等多个学科共同关注和交叉研究的前沿热点。
为探究低温诱导植物早花的遗传机制，本研究选用了自然分布在瑞典南北的150株拟南芥，在10 和16摄氏度温室条件下，对其进行了花期表型统计和组学数据获取，累计获得了2个环境下各150个个体的基因型、9叶期的转录组和DNA甲基化数据、150个个体过去100年的气候数据。研究发现北极的等温性高（年份间和年份内温差大），导致有的年份最高温偏低。如果极地生态型不能在低温年份加快生长（低温早花），那么将会因自然选择而淘汰。因此，低温早花可能是极地生态型长期适应北极等温性高的结果。
利用基因组、转录组、表型数据联合分析，定位到了25个与开花和可塑性关联的基因，其中15个为功能未知的候选基因。温度降低显著重塑了基因表达网络，一些环境之间变化剧烈的核心基因解释了大约25%花期可塑性变异，而重塑的表达网络则解释了约额外30%的表型变异。表明可塑性的出现是微效多基因的结果，其中大规模的微效基因表达重塑是背后的主要原因。
进一步研究表明CHH和CHG甲基化修饰是表达网络重塑的主要原因。例如，南北群体之间FLC启动子区域甲基化与温度变化敏感性差异显著。当温度从10升高到16摄氏度，北瑞典群体FLC表达被诱导了54个单位，而南瑞典只被诱导了32个单位。因为FLC表达越高、花期越晚，所以北瑞典的群体表现出了高温晚花、低温早花的现象。本研究从表达和表观上阐释了花期可塑性的遗传机制，阐释了低温早花的分子机制和适应性机制。
烟草所为本论文第一完成单位，烟草所与四川大学联合培养硕士研究生韩雨为论文第一作者，昝艳君特聘研究员、兰州大学刘建全教授为论文共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金青年科学基金、国家重点研发计划青年科学家项目、山东省泰山学者人才工程、山东省海外优秀青年科学基金、中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。
