为什么林木三倍体具有生长快、叶片巨大等优良特性？近日，康向阳教授团队与密西根理工大学卫海荣教授合作，于《New Phytologist》上在线发表了题为“Growth-Regulating Factor 5(GRF5) mediated gene regulatory network promotes leaf growth and expansion in poplar”的研究论文（doi:10.1111/nph.17179），初步揭示了杨树三倍体营养生长优势形成分子机制。

　　植物细胞核内染色体组加倍以后，常常带来一些形态和生理上的变化，表现为生长迅速，细胞及部分器官具巨大性；新陈代谢旺盛，某些生化成分含量提高；可孕性与结籽性降低，甚至完全无籽；生活力强，对环境适应性增强等。杨树（Populus spp）、桑树（Morus alba）、杜仲（Eucommia ulmoides）、桉树（Eucalyptus urophylla）、橡胶树（Hevea brasiliensis）、漆树（Toxicodendron vernicifluum）、枣树（Ziziphus jujuba）等林木三倍体表现同样如此。如三倍体毛白杨B301单株材积比二倍体高出2.5倍；5年生时纤维平均长度达1.28mm，比同龄二倍体毛白杨长52%。与二倍体相比，杜仲三倍体新品种具有生长快、叶片巨大，且杜仲胶以及绿原酸等药效活性成分含量高等特性，显示了巨大的开发潜力。

　　该研究首先分析了青杨异源三倍体（2n=3X=57）转录组数据，发现三倍体GRF5表达比二倍体增加5倍；随后利用自上而下图形高斯模型（GGM）算法解析出GRF5和其下游基因的调控网络，发现这个网络可能是调控青杨三倍体营养生长及叶片大小的主要机制；通过酵母单杂交（Y1H）、电泳迁移率变动分析（EMSA）和双荧光素酶分析证实，GRF5-1直接与生长素活性抑制基因CKX1的启动子结合并抑制其表达；进而采用GRF5-1转化二倍体84k杨发现，单独过表达GRF5-1就可以使84k形成类似于三倍体的较大叶片，其顶芽和第3叶位叶片的玉米素和异戊烯基腺嘌呤（IPA）含量显著增加，从而促使叶片细胞分裂素含量升高，导致叶片变大、光合速率提高和生长加快等。研究结果证明GRF5-1剂量增加是三倍体叶片变大、光合效率提高的主要原因之一。

图1 白杨、杜仲三倍体营养生长优势显著

图2 PpnGRF5-1过表达株系基因表达水平和表型

　　团队的同期研究发现，杨树多倍体基因表达是否表现剂量效应与转录后调控密切相关，其miRNA表达水平决定了相关基因表达水平以及多倍体性状表现。与二倍体相比，青杨异源三倍体增加了一套染色体，其叶片细胞内与营养生长相关基因表达量与二倍体相比发生了显著变化，但与营养生长性状直接相关的miRNA表达量随叶片发育仍维持二倍体的水平。由此提出了青杨异源三倍体营养生长优势遗传调控模型，即三倍体叶片与营养生长相关miRNA表达无剂量效应，导致miRNA对其靶基因的负调控作用相对较弱，叶细胞内与营养生长相关的基因表达表现剂量效应，加之三倍体叶片面积更大，叶绿体降解以及衰老相对缓慢使叶片光合效率更高等，保证三倍体叶片的光合作用、碳固定、蔗糖和淀粉合成代谢，以及生长素、细胞分裂素、赤霉素合成等比二倍体更强，使得青杨异源三倍体比二倍体更具营养生长优势。2020年1月10日，相关研究结果在《International Journal of Molecular Sciences》以“Molecular Mechanism of Vegetative Growth Advantage in Allotriploid Populus ”为题在线发表（doi:10.3390/ijms21020441）。

图3 青杨异源三倍体营养生长优势遗传调控模型

注：箭头表示促进作用，短线表示抑制作用。mRNAs的三条实线表示三倍体中mRNAs的剂量效应，miRNAs的一条虚线表示无剂量效应。

　　需要指出的是，基因剂量效应表达是有条件的，并不是所有的植物多倍体都具有营养生长优势。以与青杨三倍体相同的亲本杂交获得的二倍体后代为材料，开展青杨四倍体（2n=4X=76）诱导及其营养生长遗传调控研究，发现通过诱导离体不定芽染色体加倍获得的杨树四倍体生长表现缓慢；随着四倍体叶片发育，与营养生长相关的miRNAs表达呈剂量效应，其中靶基因与营养生长正相关的差异miRNA表达量逐渐增多，而靶基因与营养生长负相关的差异miRNA表达量逐渐减少，导致营养生长相关基因表达受到抑制，最终造成四倍体比二倍体营养生长缓慢。这一研究结果可与青杨异源三倍体营养生长优势遗传调控模型相互形成佐证。2020年11月27日，相关研究结果在《Genes》上以“Molecular Mechanism of Slow Vegetative Growth inPopulus Tetraploid”为题在线发表（doi:10.3390/genes11121417）。

图4 杨树四倍体营养生长缓慢分子调控模型

注：箭头表示促进作用，短线表示抑制作用；红色曲线代表靶基因与四倍体营养生长正相关的差异miRNA表达趋势或与营养生长正相关的差异基因表达趋势；蓝色曲线代表靶基因与四倍体营养生长负相关的差异miRNA表达趋势或与营养生长负相关的差异基因表达趋势。

　　研究成果得到国家自然科学基金重点项目“杨树异源三倍体营养生长优势的分子基础（3150012）”和高精尖创新中心项目的资助。有关miRNA转录后调控杨树多倍体营养生长机制的解析，对于深化林木多倍体育种基础理论、指导林木三倍体育种策略制定以及营养生长关键基因高效筛选等具有重要的理论和实际指导意义。