北京林业大学李伟团队发现油松种苗长距离调拨分子水平的新证据

针叶树，作为裸子植物中的优势类群，构成了地球上最重要的森林生态系统。针叶树的地理分布范围与其光周期适应性及休眠机制之间存在一种深刻的、互为因果的逻辑关系。光周期作为最稳定可靠的环境信号，触发了休眠这一关键的生存策略，指引着针叶树协调其年生长周期，尤其是休眠的启动与解除，最大限度地提高对冬季低温、干旱（生理干旱）等逆境的抵抗能力，从而成功应对不同分布区内严峻的季节性环境胁迫。而不同树种在长期自然选择压力下形成的特定光周期临界值和对其他环境因子的耦合程度，最终决定了它们所能占据的生态位空间和地理分布极限。尽管在杨树等被子植物中已发现以CO-FT为核心的休眠光周期调控通路，而针叶树中未鉴定出FT基因，只存在进化上较为原始的且与FT功能相反的TFL1-like基因，这意味着针叶树存在与现有被子植物完全不同的光周期响应和休眠诱导机制。因此，解析这种机制对理解针叶树环境适应与进化和种苗长距离调拨具有重要的科学和实践意义。

近日，北京林业大学李伟教授团队在Plant Physiology发表研究成果，系统揭示了油松TFL1-like（PtTFL2）基因在响应短日照调控休眠的关键作用，其与PtNAC67和PtNF-YC18组成双模块实现对油松休眠过程生长与抗冻性平衡的精准调控（图1），以应对冬季低温的到来。研究结果为油松种苗长距离调拨和生态型良种选育提供了分子水平新证据，是全面解析针叶树休眠分子机制的重要突破口。

图1 短日照诱导PtTFL2调控油松休眠过程生长-防御平衡的模型

短日照是诱导油松休眠的关键环境因素

通过短日照、连续光照及长日照处理下油松幼苗的形态学观测，发现短日照处理10天时，油松幼苗便出现生长停滞的现象（图2A-D），同时芽鳞形成并包裹顶端分生组织，这意味着休眠芽开始形成（图2E）；短日照处理20天时，油松茎段韧皮部胼胝质开始积累，阻碍细胞之间的信号交流和物质运输；短日照处理50天时，油松针叶中糖类物质大量积累且抗冻性增强。这些结果证明了短日照能够诱导油松休眠过程中的标志性生物学现象。

图2 不同光周期下的油松休眠表型

PtTFL2是响应短日照诱导油松休眠的关键基因

基于不同光周期与年周期转录组数据，通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）与休眠性状数据进行关联筛选关键基因（图3A-C）。其中PtTFL2是关键基因之一，PtTFL2基因表达受到短日照强烈诱导且有休眠年周期表达节律（图3D-E）。异源转化实验证实，PtTFL2在杂交杨无性系84K中异源过表达可促进休眠进程，如与对照组相比，转基因株系出现更早的生长停滞、更快的休眠芽形成及更强的抗冻性等休眠生物学现象（图3F）。拟南芥中异源过表达PtTFL2也增强了植株抗冻性，出现营养生长迟缓的现象，充分验证PtTFL2在休眠调控中的核心枢纽作用。

图3 PtTFL2的表达模式与休眠生物学功能验证

PtTFL2-PtNAC67/PtTFL2-NF-YC18组成双模块调控休眠生长防御平衡

以PtTFL2为核心构建转录因子共表达网络（TFCN），结合酵母双杂（Y2H）筛库，发现PtNAC67和PtNF-YC18是潜在的关键互作转录因子（图4A-B）。两个转录因子的基因表达受到短日照强烈诱导且有休眠年周期表达节律（图4C-G）。进一步通过酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）、蛋白质体外结合（Pull-down）和免疫共沉淀（Co-IP）技术，系统解析PtTFL2蛋白互作网络，发现PtNAC67可直接与PtTFL2形成稳定复合体，而PtNF-YC18通过中间因子介导间接互作（图4H-P）。异源转化杨树和拟南芥实验证实，PtNF-YC18过表达则加速杨树休眠过程中的生长停滞和休眠芽形成，而PtNAC67过表达株系增强抗冻能力；而这些结果表明PtTFL2通过与PtNAC67和PtNF-YC18结合组成双模块调控休眠过程中的生长停滞和抗冻性增强，实现生长-防御平衡。

图4 PtNF-YC18和PtNAC67的表达模式以及与PtTFL2的相互作用

PtTFL2-PtNAC67-PtDHN2层级调控休眠抗冻性

以PtNAC67为核心构建共表达网络结合酵母单杂实验，筛选到下游靶基因脱水蛋白（PtDHN2）。通过双荧光素酶（LUC）和凝胶电泳迁移（EMSA）实验进一步证明PtNAC67可直接结合PtDHN2启动子区CACG核心基序（图5A-I），PtTFL2蛋白的存在可增强该结合活性（图5J-L），形成PtTFL2-PtNAC67-PtDHN2级联调控通路。PtDHN2的异源过表达增强了杨树和拟南芥的抗冻性，与PtNAC67的表型一致。因此，在短日照诱导下，油松可能通过PtTFL2-PtNAC67-PtDHN2级联调控通路增强休眠起始过程中的抗冻性，提前应对冬季低温到来。

图5 PtDHN2的结合位点筛选以及PtTFL2对PtNAC-PtDHN2相互作用的影响

油松作为我国北方地区重要的常绿针叶树种，分布广泛、生态适应性强，是“三北”工程造林的主要乔木树种之一。根据国家林业和草原局最新预测，2025年油松造林苗木需求量将超过1亿株。由于油松种子产区和造林种苗需求的不平衡，其种苗的跨区域调拨是林业生产中的常见实践。本研究结果表明，油松在长期自然选择中，形成了对其原产地特定日长变化的精密适应机制。高纬度或高海拔种源的油松幼苗对短日照极为敏感，秋季日照开始缩短能及时停止生长、更快进入休眠，从而安全越冬。这种适应性使其分布北界得以延伸。反之，低纬度种源则适应了相对较弱的日长变化信号。若打破这种长期形成的适应性，进行长距离的南北调拨，便会引发严重问题：北苗长距离南移，秋季会因快速响应短日照信号而更早进入休眠而生长量受限；南苗长距离北移，则会因对秋季短日照响应较慢，低温到来前未进入休眠而发生冻害，难以适应北方更严酷的环境。因此，油松的种苗调拨绝非简单的地理位移，必须充分考虑光周期带来的“生理落差”，遵循“就近调拨”或“相似光周期区域调拨”原则，是避免经济损失和造林成效的关键。

北京林业大学生物科学与技术学院李伟教授为本研究通讯作者，博士后周成城为第一作者，博士研究生刘红梅、硕士研究生桑悦、姜灏然、张嘉书参与了相关研究工作，北京林业大学钮世辉教授和加拿大哥伦比亚UBC的Yousry A. El-Kassaby教授支持并指导了该研究。该研究得到了国家科技部国家重点研发项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf362