Genome Biology | 北京林业大学杜庆章团队揭示ABA信号“变阻器”平衡调控杨树生长与干旱适应性的分子机制

植物的生长发育与抗逆适应并非简单的非此即彼选择，而是由局域气候条件长期塑造的动态权衡过程。对多年生木本植物而言，在水资源充足的季节，植株优先加速营养生长，以获取光照、水分和矿质养分等资源，占据有利生态位；而一旦遭遇干旱、高温等非生物胁迫，则迅速将资源分配由生长转向水分保持、渗透调节及损伤修复，从而保障在多变气候条件下的生存与延续。植物如何感知环境气候信号，并在“最适生长”与“抗旱响应”之间实现策略转换？这一核心问题在农作物等草本植物中已有较系统的研究，然而，对于驯化历史较短、地域适应性分化显著的多年生木本树种，其生长-干旱适应性转换的分子调控机制仍知之甚少。

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团队在Genome Biology上在线发表了题为Amolecular rheostat of ABA signalingcoordinates the trade-off between stemgrowth and drought adaptation研究论文，系统阐释了林木茎干生长与干旱适应性之间权衡的分子调控机制。该研究以我国北方代表性乡土树种毛白杨为材料，整合群体基因组学、遗传精细定位、转基因功能验证及分子互作分析等技术手段，鉴定出一个控制杨树生长适应性的主效基因-PtoAG1。研究发现，该基因编码的蛋白作为ABA信号通路的“分子变阻器”，通过协同调控脱落酸（ABA）与细胞分裂素（CTK）信号转导，介导主干生长与干旱胁迫响应之间的动态平衡切换。研究进一步表明，该调控模块在双子叶植物中具有进化保守性，为深入理解植物在生长与逆境适应间实施策略权衡的遗传调控网络，提供了新的理论框架与潜在遗传改良靶点。

研究团队以覆盖黄河流域天然分布区的302份毛白杨种质资源为材料，结合同质园试验中连续8年观测的大田生长数据，以及涵盖温度、降水等维度的19个生物气候变量，系统解析了种源地环境因子、遗传变异与生长表现之间的关联。为区分气候环境因子对生长的直接遗传效应与通过树木生理响应产生的间接效应，研究采用结构方程模型（SEMs）进行路径分析，结果表明由水分有效性变化所驱动的生理响应是影响毛白杨径向生长的关键因素。在此基础上，进一步整合全基因组关联分析（GWAS）与基因组-环境关联分析（GEA），共鉴定出7个同时与生长性状和气候适应性显著关联的多效位点，提示树木的生长调控与气候适应并非独立过程，而是受共同遗传基础的协同调节。

通过构建杂交群体高精度连锁图谱并开展QTL精细定位，研究团队在7号连锁群上锁定了一个与生长及适应性复合性状显著相关的主效位点qAG1（QTL_Growth Adaptation 1）。通过进一步标记加密，将该位点的候选区间缩小至37 kb。基于候选基因的时空表达谱分析、CRISPR/Cas9介导的基因编辑及功能互补验证，研究最终确定该区间内的关键基因，并将其命名为PtoAG1。PtoAG1编码一个HD-ZIP II家族转录因子，其蛋白结构包含N端的EAR抑制基序以及C端保守的CPSCE环境感知基序。在毛白杨自然群体中，该基因存在一个天然的单碱基插入/缺失所致的移码突变，导致蛋白翻译提前终止，丧失C端DNA结合结构域的功能。该功能缺失等位变异在东北和南部地理种群中具有较高的等位基因频率，且携带该变异的个体表现出显著增强的树干径向生长。上述结果表明，PtoAG1的自然变异受到局域环境选择压力的作用，并可能驱动了毛白杨不同地理种群间的适应性分化。

转基因功能验证表明，与野生型相比，PtoAG1过表达植株的次生生长受到显著抑制，形成层细胞层数减少约50%，木质部发育明显受限。相反，利用CRISPR/Cas9技术获得的PtoAG1敲除突变体表现出显著促进的生长表型：株高较野生型增加27.9%，茎横切面木质部面积显著扩大，且导管平均面积增大44%。该结果表明PtoAG1是树木次生生长的负调控因子。

干旱胁迫条件下，PtoAG1在茎中呈特异性诱导表达，其启动子活性主要增强于形成层、木质部及叶片等与水分运输和蒸腾作用密切相关的组织。为明确其抗旱功能，研究团队在土壤相对含水量降至18%的极端干旱胁迫下开展表型分析，结果表明：PtoAG1过表达植株仍能维持较为完整的植株形态，且在复水后恢复速度更快；而敲除突变体则表现为严重萎蔫、顶芽塌陷，复水后接近死亡。进一步的生理指标测定显示，在干旱处理下，过表达植株的茎水力传导率保持在65%以上，茎水势保留水平超过80%，同时丙二醛含量与电解质渗漏率均显著低于野生型，表明其细胞膜损伤和氧化胁迫程度较轻。在组织结构层面，过表达植株形成较小的单导管腔面积，这种木质部结构有利于降低干旱条件下导管栓塞的发生风险。在分子层面，PtoAG1过表达显著增强了ABA信号通路下游响应基因ABI5、COR15B、RAB18和RD26的转录水平。综合上述结果，PtoAG1通过协同调节木质部水力结构与ABA依赖性胁迫响应通路，从形态解剖和生理分子两个层面共同提升植株的抗旱适应能力。

为解析PtoAG1整合生长与抗旱信号的分子机制，团队对野生型（WT）与ptoag1突变体进行转录组比较分析，发现细胞分裂素信号通路相关基因（如PtoRR12、PtoAHK1、PtoIPT5）及ABA信号通路基因（如PtoAREB3）在突变体中均呈现显著差异表达，提示PtoAG1可能同时影响两条激素信号通路。在此基础上，团队结合DAP-seq全基因组靶点筛选与转录组数据交叉分析，将PtoRR12和PtoAREB3列为候选直接靶标。通过酵母单杂交（Y1H）、电泳迁移率变动分析（EMSA）、染色质免疫沉淀定量PCR（ChIP-qPCR）及双荧光素酶报告实验等多层级分子互作验证，进一步证实PtoAG1可直接结合PtoRR12与PtoAREB3的启动子区域，并抑制二者的转录活性。上述结果表明，PtoAG1作为转录抑制因子，通过同时负调控细胞分裂素信号输出因子PtoRR12和ABA信号核心转录因子PtoAREB3的表达，在分子层面实现了对生长促进信号与干旱响应信号的协同调节。

进一步研究发现，PtoRR12并非仅作为信号输出终端被动接收上游信息，而是主动参与ABA信号强度的精细调节。通过酵母双杂交、双分子荧光互补和Co-IP实验发现，PtoRR12能够与ABA信号通路核心激酶PtoSnRK2.2发生直接蛋白互作。Phos-tag磷酸化分析进一步表明，PtoRR12可抑制PtoSnRK2.2的自磷酸化活性，并在体内削弱其对下游转录因子PtoAREB3的磷酸化激活能力。这一发现揭示PtoRR12在ABA信号转导中充当“分子缓冲阀”的角色，即通过抑制SnRK2.2的激酶活性，对ABA应答强度形成负反馈调控。在此调控层级中，PtoAG1通过转录抑制PtoRR12的表达，解除其对PtoSnRK2.2-PtoAREB3信号轴的限制，从而在干旱胁迫下有效放大ABA响应输出，提升植株的抗旱能力。

在明确PtoAG1负反馈机制之后，研究团队进一步追问：干旱信号究竟如何在早期把这个“调速器”启动起来？前期研究中，团队通过对qAG1区间内4个候选基因进行CRISPR/Cas9敲除筛选，发现仅PtoAG1及相邻的R2R3-MYB转录因子PtoMYB84的敲除突变体均呈现生长增强表型，提示二者可能隶属于同一调控单元。进一步分析显示，PtoAG1启动子中存在4个保守的PtoMYB84结合motif，且分子互作实验证实，PtoMYB84可直接结合PtoAG1启动子并激活其转录。基于这种“同一区间、相近表型、顺式结合位点明确”的多重证据，研究团队推测PtoMYB84和PtoAG1并不是孤立发挥作用，而是构成紧密的顺式调控模块。随后，研究团队将该模块放回ABA信号背景中。结果发现，干旱信号通过PtoSnRK2.2激酶磷酸化PtoMYB84，增强其对PtoAG1的转录激活；而在ptomyb84突变体中，ABA诱导的PtoAG1表达减弱，抗旱能力下降。机制上，干旱首先激活PtoSnRK2.2，后者磷酸化PtoMYB84，增强其对PtoAG1的转录激活；而PtoAG1一旦被启动，便同时拉起两条反馈回路。一方面，PtoAG1抑制PtoRR12，解除其对PtoSnRK2.2自磷酸化的抑制，从而进一步增强PtoSnRK2.2对PtoMYB84的激活，这构成ABA信号的正反馈放大。另一方面，PtoAG1又直接压制PtoAREB3，避免ABA反应过度累积，这构成负反馈限幅。这种正反馈和刹车机制使植物既能快速启动抗旱应答，又不会把生长程序彻底关停。

进化分析进一步表明，PtoMYB84与PtoAG1在基因组上始终保持<40 kb的紧密连锁共定位，且该组合在双子叶植物中形成高度保守的顺式调控模块。为评估该模块的功能保守性，研究团队在拟南芥、水稻和番茄中分别对AG1直系同源基因进行编辑或过表达，结果均观察到一致的生长-抗旱权衡表型：敲除突变体促进营养生长，过表达株系增强干旱耐受性，表明MYB84-AG1调控单元并非毛白杨特有，而是在不同物种间具有功能保守性。进一步的育种价值评估显示，在6个半同胞杂交群体中，携带AG1移码突变的个体其株高和胸径较野生型分别提高24.5%和30.3%，且该生长优势能够稳定跨代遗传。综合上述结果，该调控模块为更广泛植物精准分子设计育种提供了理论依据与基因资源。

基于上述结果，研究团队提出一个以PtoAG1为核心节点的ABA信号调控模型。在该模型中，干旱信号首先激活PtoSnRK2.2激酶，后者通过磷酸化PtoMYB84增强其转录激活能力，进而诱导PtoAG1表达。诱导表达的PtoAG1一方面通过转录抑制PtoRR12，解除PtoRR12对PtoSnRK2.2激酶活性的抑制，从而正反馈放大ABA信号输出；另一方面，随着胁迫加剧，PtoAG1直接抑制PtoAREB3的转录，以避免ABA应答过度激活造成的生存代价。该通路中，PtoMYB84作为干旱信号向qAG1位点传递的切入点，PtoAG1则通过正反馈促进与负反馈限制的协同耦合，实现对ABA响应的快速启动与稳态维持，从而在生长抑制与抗旱保护之间实现精细平衡。

综上所述，该研究揭示了AG1作为ABA信号通路中“分子变阻器”的核心功能，阐明了植物通过单一遗传模块协调生长与干旱适应的分子逻辑。一方面，研究通过对自然等位变异的表型解析及群体遗传差异分析，阐明了长期局域选择所塑造的适应性权衡如何驱动毛白杨不同种群在生态位适应上的分化。另一方面，研究系统解析了AG1连接ABA与细胞分裂素信号通路的调控网络，提出植物可通过“正反馈快速放大”与“负反馈及时刹车”两套耦合机制，在干旱响应强度与生长维持之间实现动态平衡。此外，MYB84-AG1调控模块在双子叶植物中高度保守，其功能可在跨物种背景下得到验证，为植物的精准分子设计育种提供了可双向调控的新靶点。

该论文第一作者为博士后吕晨飞、博士生何玉玲和张东海，通讯作者为杜庆章教授。张德强教授为本研究提供了学术指导，李中海教授、赵瑞副教授、杜亮副教授、权明洋副教授、肖亮副教授、李金龙讲师、山东农业大学刘丽君教授、李鹏副教授、河南农业大学卢文杰教授在研究设计和论文完善过程中给予了宝贵建议；博士毕业生周嘉旋、黄瑞及团队多名研究生参与了该研究实验与数据分析工作。该研究工作受到中央高校青年教师科研创新能力支持项目、国家自然科学基金面上项目、中央高校优秀青年团队项目、北京市科技新星交叉项目、山东省重点研发计划项目及国家重点研发计划青年科学家项目等联合资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1186/s13059-026-04228-2