New Phytologist | 刘建全团队揭示高山植物适应极端环境株型调控的分子机制

在高海拔地区，植物常面临强风、强紫外线及低温等多种环境胁迫的复合影响，其株型结构普遍表现出矮化与多分枝的表型特征。这种形态结构对植物适应高海拔严酷环境具有重要意义，然而其背后所涉及的分子调控机制目前仍不清楚。

近日，刘建全团队联合中科院遗传发育所傅向东团队在New Phytologist在线发表题为“Allelic variations and interactive feedback in major regulators of plant architecture confer high-altitude adaptation inArabidopsis thaliana”的研究论文，该研究利用具有典型高海拔矮化、多分枝株型结构的拟南芥西藏生态型，揭示了株高调控主效基因GA5 与分枝调控主效基因 BRC1 形成一个反馈调控模块，该模块协同调控植物株高与分枝之间的平衡，精细调控植物对高海拔环境的适应性。

团队首先利用自然分布在高低海拔的具有不同株型结构的西藏和四川生态型拟南芥，构建重组自交系，并通过QTL分析结合多组学证据，在拟南芥杂交重组自交系中鉴定到调控株高的主效基因GA5和调控分枝的主效基因BRC1（图1）。

图1. 西藏拟南芥株高和分枝调控主效基因的定位

进一步研究发现，西藏生态型的 GA5 编码区发生40bp插入，导致蛋白功能丧失，使得植株极端变矮；而西藏生态型的BRC1启动子区有一段10bp插入，削弱了转录因子SPL9的结合能力，使其表达下降，进而分枝增多。分子功能实验表明，GA5和BRC1并非孤立工作，而是通过前人发现的DELLA-SPL9模块形成一个正反馈调控回路：BRC1直接激活GA5表达，GA5 参与赤霉素的生物合成，而具有生物活性的赤霉素随后会参与 DELLA 蛋白的降解过程。这种降解可能进一步解除 DELLA 蛋白对 SPL9 的抑制作用，进而导致 BRC1 表达上调（图2）。研究人员还分析了全球826份拟南芥生态型的基因型数据和环境数据，发现GA5的功能缺失突变在高海拔、强UV-B、低温地区频率显著更高，BRC1启动子插入型等位基因仅在少数孑遗种群中保留，可能是一种古老变异，这些结果表明，GA5和 BRC1的等位变异在拟南芥扩张过程中经历了强烈的自然选择。

综上所述，该研究不仅揭示了植物高海拔适应的潜在分子机制，也为作物株型的精准改良提供了重要的基因工具与理论依据。利用这些保守的调控网络进行靶向编辑，将为设计理想株型、增强作物抗逆性开辟新的路径。

图2. GA5和BRC1协调株高和分枝调控的工作模型

四川大学张涵、刘梦和娄尚灵博士为论文的共同第一作者，刘建全教授、刘唤唤副研究员和中国科学院遗传与发育研究所傅向东研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委和中国科学院战略性先导专项项目的资助。

文章链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70628