北京林業(yè)大學(xué)/北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院張德強教授團隊日前在《植物生理學(xué)》（Plant Physiology）在線發(fā)表了研究新成果。該成果系統(tǒng)闡明了林木根系發(fā)育的遺傳調(diào)控機制，為林木形態(tài)建成、環(huán)境適應(yīng)性與抗逆機制等研究提供了科學(xué)理論指導(dǎo)。

張德強團隊的這項研究首次在木本植物中構(gòu)建了從表型到基因、從組織到細胞的多層次調(diào)控框架，為今后林木根系遺傳改良、植株形態(tài)建成、抗旱耐鹽品種選育提供了新靶點與技術(shù)支撐。

據(jù)悉，張德強團隊在研究中，首次利用3D成像、全基因組關(guān)聯(lián)分析、單細胞轉(zhuǎn)錄組與分子生物學(xué)等多學(xué)科交叉技術(shù)手段，開發(fā)了林木根系表型組學(xué)分析體系，解析了楊樹根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)，鑒定出調(diào)控楊樹根系構(gòu)型的關(guān)鍵基因PsiSKP2B，構(gòu)建了首個楊樹根系單細胞轉(zhuǎn)錄圖譜。

張德強教授稱，根系作為吸收樹木水分與營養(yǎng)元素、維持形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要器官，其構(gòu)型特征直接影響植物生長發(fā)育、抗逆能力與形態(tài)建成。然而，林木具有多年生、植株高大、根系結(jié)構(gòu)復(fù)雜等生物學(xué)特點，特別是由于根系埋藏于地下，表型獲取困難，其遺傳調(diào)控機制在林木中長期以來研究不足。其根系表型的高通量無損數(shù)字化獲取仍存在技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致木本植物根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)研究進展緩慢。

為了攻克這一難題，張德強團隊依托小葉楊種質(zhì)資源群體（303份），整合3D成像技術(shù)與圖像分割算法，開發(fā)了林木根系表型組學(xué)分析體系，系統(tǒng)分析了小葉楊種質(zhì)資源群體根系表型特征，構(gòu)建了包含96個微觀性狀的根系表型數(shù)據(jù)集。利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）方法，揭示了小葉楊根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)，鑒定了72個影響根系構(gòu)型的關(guān)鍵基因，主要涉及細胞分裂、側(cè)根形成、分生組織發(fā)育以及激素信號傳導(dǎo)等生物學(xué)過程。特別是，發(fā)現(xiàn)編碼F-box泛素連接酶基因PsiSKP2B與6個根系性狀存在顯著關(guān)聯(lián)，表明其在楊樹根系發(fā)育過程中的潛在重要功能價值。

在此基礎(chǔ)上，張德強團隊進一步利用單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，成功注釋了楊樹根系的8種主要細胞類型，包括非成毛體細胞、中柱細胞、皮層細胞、側(cè)根冠細胞、中央根冠細胞、內(nèi)皮層細胞、分生細胞和成毛體細胞，構(gòu)建了首個楊樹根系單細胞轉(zhuǎn)錄圖譜。發(fā)現(xiàn)上述72個根系發(fā)育候選基因呈現(xiàn)出細胞特異性表達模式。其中，PsiSKP2B在分生細胞與側(cè)根冠細胞中具有較高表達水平。該空間表達特征有效支撐了GWAS研究結(jié)果，為在單細胞分辨率下揭示PsiSKP2B的遺傳調(diào)控機制提供了細胞學(xué)證據(jù)。

為揭示PsiSKP2B調(diào)控根系發(fā)育等分子作用機制，張德強團隊構(gòu)建了PsiSKP2B的楊樹遺傳轉(zhuǎn)化株系，發(fā)現(xiàn)PsiSKP2B是楊樹側(cè)根發(fā)育等正向調(diào)控因子。聯(lián)合利用共表達網(wǎng)絡(luò)分析以及酵母雙雜交、蛋白免疫共沉淀、泛素化等分子生物學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)PsiSKP2B能夠提高根系生長素含量，泛素化降解PsiZHD9與PsiWOX4蛋白，正向調(diào)控楊樹側(cè)根發(fā)育。

《植物生理學(xué)》（Plant Physiology）是植物科學(xué)領(lǐng)域的核心期刊。張德強教授為這次發(fā)表的論文通訊作者，博士研究生李晶晶和北京林業(yè)大學(xué)薄文浩副教授為論文共同第一作者。北京林業(yè)大學(xué)教授宋躍朋、澳大利亞CSIRO研究員柳青以及加拿大UBC教授Yousry A. El-Kassaby參與指導(dǎo)了該研究。本研究獲國家自然科學(xué)基金及111引智計劃等項目的資助。