干旱是影响树木生长和森林生产力的主要非生物胁迫因子，植物通过不同的生理和形态变化，进化出一系列适应干旱胁迫策略。为了抵御干旱胁迫，植物会关闭叶片气孔，降低蒸腾作用，从而提高其耐旱性。然而，在干旱胁迫下，林木中叶片气孔关闭的分子遗传调控机制仍有待阐明。近日，北京林业大学张德强课题组在Plant Physiology（一区Top，IF=9.115）发表了题为“Allelic variation in transcription factor PtoWRKY68 contributes to drought tolerance in Populus”的研究论文。该研究报道了毛白杨群体由于PtoWRKY68基因的等位变异，介导了植物激素脱落酸（ABA）的转运与信号转导途径，促进植物体内ABA的积累，进而通过调控旱胁迫下的气孔开度，来提高树木的抗旱性。
毛白杨（Populus tomentosa）作为我国特有的白杨派树种，在我国北方林业生产和生态环境建设中占有重要地位。由于毛白杨天然分布区域广阔、地形复杂、气候多样，在长期进化过程中，地理和气候因素在不同地区毛白杨的分化中起着关键作用，并逐渐将毛白杨分化成三个不同遗传群体，其丰富的表型变异和遗传多样性为研究林木逆境胁迫响应机制等提供了重要的材料基础。为了挖掘杨树中响应旱胁迫的关键基因，本研究以旱胁迫处理的毛白杨种质资源群体为材料，利用全基因组关联分析策略发现PtoWRKY68基因等位变异与气孔导度显著关联，通过在拟南芥中异源过表达PtoWRKY68基因，提高了转基因植株的耐旱性（图1）。
图1 毛白杨种质资源群体旱胁迫相关性状的全基因组关联分析
通过进一步分析PtoWKRY68基因单倍型的等位频率，研究显示，PtoWRKY68hap1等位基因主要存在于西北部与东北部干旱气候区，而携带PtoWRKY68hap2等位基因的个体则源于湿润的南部气候区。联合群体表型分析表明，携带PtoWRKY68hap1等位基因的个体相对于PtoWRKY68hap2在旱胁迫后ABA含量增幅更明显，气孔导度下降更多，水分蒸腾散失更少，具有更强的耐旱性，表明在长期进化过程中，毛白杨可能通过基因突变来适应不同的气候区域，在东北和西北部较干旱的气候区选择保留了耐旱的PtoWRKY68hap1等位基因（图2）。
图2 PtoWRKY68基因的自然变异与毛白杨耐旱性显著相关
为了揭示PtoWRKY68响应旱胁迫的遗传调控网络，通过联合共表达网络、差异基因以及DAP-seq分析，鉴定到ABA信号响应通路基因PtoABF2.1与PtoRD26.1，以及胞内ABA外排转运蛋白PtoDTX49.1为PtoWRKY68的潜在下游靶基因。进一步分子生物学实验表明PtoWRKY68hap1比PtoWRKY68hap2与下游ABA相关基因的启动子序列有更明显的亲和力。同时，通过比较PtoWRKY68hap1和PtoWRKY68hap2等位基因个体中的PtoABF2.1与PtoRD26.1的表达水平，发现它们均在PtoWRKY68hap1等位基因群体中具有更高的表达量，而PtoDTX49.1在PtoWRKY68hap1等位基因群体中具有更低的表达量，表明PtoWRKY68的等位变异显著影响了其编码蛋白的转录调控活性以及与下游基因启动子的结合效率，从而调控旱胁迫中参与ABA转运与信号转导通路的基因的表达水平，增加ABA信号转导以及降低胞内ABA转运（图3）。
图3 鉴定PtoWRKY68等位基因潜在下游靶基因
随后，通过表达数量性状位点定位策略（eQTL）鉴定到PtoSVP.3为PtoWRKY68上游转录调控因子，进一步实验验证PtoSVP.3通过结合PtoWRKY68启动子区域的CArG顺式作用元件调控其在干旱状态的转录水平。综上所述，本研究发现杨树PtoSVP.3-PtoWRKY68-PtoDTX49.1/PtoABF2.1/PtoRD26.1层级调控模块通过介导ABA的转运以及信号转导途径响应旱胁迫（图4）。本研究为杨树耐旱性响应机制提供了见解，已鉴定到的主效基因和等位变异位点也将有助于进一步通过分子设计育种培育具有耐旱性的杨树品种。
图4 PtoWRKY68调控杨树耐旱性的分子机制
北京林业大学生物科学与技术学院张德强教授为本文通讯作者，博士研究生房媛媛、王丹以及博士后肖亮为论文共同第一作者。博士研究生宋方媛、周嘉旋，硕士研究生齐薇娜、秦诗彤，北京林业大学青年教师杜庆章教授、权明洋副教授参与了该研究工作。北京市农林科学院林果所刘鑫助理研究员、澳大利亚CSIRO柳青研究员以及UBC的Yousry A. El-Kassaby教授支持并指导了该研究。该工作得到了农业生物育种重大专项（2022ZD0401502），国家自然科学基金项目（31872671），中国博士后科学基金项目（2022M710406）以及111引智计划（B20050）等项目的资助。
论文链接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiad315/7185702
