林木重要性狀形成的分子基礎(chǔ)研究進(jìn)展

張守攻

（中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，林木培育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091）

林業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一，為我國(guó)木材安全、糧油安全、生態(tài)文明和鄉(xiāng)村振興等戰(zhàn)略的實(shí)施提供了重要保障。但我國(guó)森林資源總量相對(duì)缺乏，且質(zhì)量不高。據(jù)第九次清查結(jié)果，我國(guó)森林覆蓋率僅為23.04%，低于全球的平均水平（30.6%），人均森林面積0.16 hm2，不足世界人均水平（0.60 hm2）的1/3[1]。我國(guó)木材產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)需求，對(duì)外依存度長(zhǎng)期維持在50%左右，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。我國(guó)非木質(zhì)林產(chǎn)品雖然開發(fā)利用種類較多、數(shù)量較大，但是產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平落后[2]。深入研究以人類需求為目的的林木性狀，特別是解析林木重要性狀形成的分子基礎(chǔ)，是建立高效育種技術(shù)體系的基本保障，對(duì)培育滿足國(guó)家重大需求的突破性良種，保障我國(guó)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，服務(wù)國(guó)家木材安全、糧食安全、生態(tài)安全和鄉(xiāng)村振興等重大戰(zhàn)略具有重要意義。

近年來，隨著生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等的快速發(fā)展，林木功能基因組的研究技術(shù)不斷豐富，針對(duì)林木性狀形成的分子基礎(chǔ)的研究也更加深入[3]。一方面，以楊樹為代表的木本模式樹種的研究揭示了林木次生生長(zhǎng)、木質(zhì)素合成、環(huán)境信號(hào)響應(yīng)等途徑的分子調(diào)控機(jī)理；另一方面，隨著越來越多的樹種完成全基因組測(cè)序，針對(duì)重要性狀形成的比較基因組學(xué)、群體基因組學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)和功能基因研究也不斷加強(qiáng)，為深入研究林木抗逆性、次生代謝調(diào)控、特異性物質(zhì)合成等性狀的形成提供了有力的支撐。另外，通過對(duì)重要樹種的全基因組重測(cè)序和關(guān)聯(lián)分析，識(shí)別出關(guān)鍵調(diào)控因子與等位基因變異，為后續(xù)基因組編輯和轉(zhuǎn)基因育種提供了候選基因，從而為精準(zhǔn)化的林木新品種創(chuàng)制與分子設(shè)計(jì)育種鋪平了道路。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)林木性狀形成的分子基礎(chǔ)研究進(jìn)展，聚焦木材形成、林木經(jīng)濟(jì)性狀和林木抗逆性的形成與調(diào)控機(jī)制，對(duì)當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，并對(duì)未來林木性狀研究趨勢(shì)與技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望，從而為林木性狀的分子基礎(chǔ)研究提供參考。

1 木材形成的分子機(jī)制

木材是重要的可再生自然資源，關(guān)系著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。立足國(guó)情，增加森林資源和木材供應(yīng)，解決木材供求矛盾，保障國(guó)家木材安全，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。木材的形成過程相當(dāng)復(fù)雜，主要包括維管分生組織的發(fā)生、維管形成層細(xì)胞分裂與分化、次生壁形成以及細(xì)胞程序性死亡等生物學(xué)過程[4]。深入了解樹木木材形成的分子調(diào)控機(jī)制，對(duì)提升我國(guó)林木育種水平、促進(jìn)林木種業(yè)科技創(chuàng)新、保障木材安全等具有重要意義。

1.1 林木維管形成層活動(dòng)的調(diào)控機(jī)制

植物維管形成層是次生分生組織通過細(xì)胞分裂與分化產(chǎn)生多種特定的細(xì)胞，形成由次生韌皮部、形成層和次生木質(zhì)部組成的次生維管組織系統(tǒng)，貫穿于整個(gè)植物體內(nèi)，作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所需水分、營(yíng)養(yǎng)以及一些信號(hào)調(diào)控物質(zhì)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，也為植物維持向上生長(zhǎng)提供機(jī)械支撐力。維管形成層細(xì)胞分裂是木材形成的第一步，研究形成層活動(dòng)的調(diào)控機(jī)制是植物生物學(xué)和林學(xué)的基礎(chǔ)理論問題，受到國(guó)內(nèi)外越來越多的關(guān)注[5-7]。隨季節(jié)變化，溫帶樹種的形成層活動(dòng)表現(xiàn)出一定的節(jié)律性，即活動(dòng)期和休眠期循環(huán)交替。形成層周期性活動(dòng)過程中，基因表達(dá)調(diào)控的多個(gè)層面都發(fā)生了重大變化[8-10]。

從形成層細(xì)胞分裂及其對(duì)環(huán)境信號(hào)和激素信號(hào)的應(yīng)答入手，對(duì)形成層活動(dòng)的調(diào)控機(jī)理了解越來越多。毛白楊（Populus tomentosa）形成層年周期活動(dòng)中，細(xì)胞周期蛋白基因PtoCDKB和PtoCYCB的表達(dá)也呈現(xiàn)出周期性變化[11]；通過研究落葉松（Larix kaempferi）細(xì)胞周期基因及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控發(fā)現(xiàn)，LaRAV1和LaCDKB1;3參與溫度介導(dǎo)的休眠解除和恢復(fù)活動(dòng)過程[8]。形成層細(xì)胞在不同休眠階段對(duì)生長(zhǎng)素的反應(yīng)不同[12-13]，包括生長(zhǎng)素運(yùn)輸能力的下降、生長(zhǎng)素運(yùn)輸和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因的表達(dá)下調(diào)等[14-16]。除生長(zhǎng)素外，細(xì)胞分裂素、油菜素內(nèi)酯、赤霉素、乙烯、短肽等也調(diào)控維管形成層細(xì)胞的分裂和增殖[17]。比如，赤霉素和生長(zhǎng)素通過破壞DELLA-ARF7-AUX/IAA三元復(fù)合體釋放ARF7對(duì)下游基因WOX4和PIN1的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)形成層的協(xié)同調(diào)控[18]；TDIF/TDR信號(hào)通路通過協(xié)調(diào)其下游WOX4支路與GSK-BES支路決定維管組織模式并維持維管干細(xì)胞特性，構(gòu)成了維管形成層調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的核心通路[19]?？傊馕鼍S管形成層活動(dòng)的調(diào)控有助于人工調(diào)控木材的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1.2 林木木質(zhì)部分化的調(diào)控機(jī)制

裸子植物和雙子葉木本植物維管形成層細(xì)胞分裂活躍，產(chǎn)生的次生生長(zhǎng)比較旺盛，向外生成次生韌皮部，向內(nèi)生成次生木質(zhì)部，后者經(jīng)過連年的沉積、附加形成木材。目前，對(duì)于木本植物木質(zhì)部分化的研究多以楊樹（PopulusL.）為主。激素、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子等參與木質(zhì)部細(xì)胞分化的調(diào)控過程。生長(zhǎng)素含量在楊樹的形成層區(qū)域呈現(xiàn)出中部高兩端低的梯度，這一分布與生長(zhǎng)素運(yùn)載蛋白在形成層區(qū)域的表達(dá)相關(guān)[14]。生長(zhǎng)素能夠誘導(dǎo)楊樹Aux/IAA9蛋白的降解，從而解除對(duì)其互作蛋白ARF5的抑制。ARF5則能夠直接激活2個(gè)HD-ZIP Ⅲ轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)，啟動(dòng)維管形成層細(xì)胞向次生木質(zhì)部的分化[20]。在形成層區(qū)域特異性地降低細(xì)胞分裂素的水平會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞分裂和樹干的增粗[21-22]。乙烯合成酶基因PttACO1過量表達(dá)促使楊樹的木質(zhì)部增加，而對(duì)乙烯應(yīng)答不敏感的轉(zhuǎn)基因楊樹則表現(xiàn)出拉木減少[23]。多肽激素對(duì)植物分生組織具有調(diào)節(jié)作用，如CLE（CLAVATA3/Embryo surrounding region-related）參與植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中細(xì)胞間的信號(hào)傳遞，尤其是對(duì)莖尖分生組織、根尖分生組織和維管原形成層中干細(xì)胞的增殖與分化之間的平衡起著關(guān)鍵作用[24-25]。生長(zhǎng)素信號(hào)應(yīng)答的HD-ZIP Ⅲ轉(zhuǎn)錄因子，如ATHB8、PHB、PHV和ATHB15也參與木質(zhì)部細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)[26-28]。另外，木質(zhì)部分化過程中的調(diào)控基因還涉及NAC、MYB、MADS、WRKY類家族以及鋅指蛋白基因等[29-31]。木質(zhì)部細(xì)胞分化除了形成次生壁外，導(dǎo)管、纖維等細(xì)胞最終發(fā)生程序化死亡也是其顯著特征[32]。

1.3 林木次生壁形成的調(diào)控機(jī)制

次生細(xì)胞壁是木質(zhì)部細(xì)胞徑向生長(zhǎng)結(jié)束之后，特異分化產(chǎn)生的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。次生壁主要由纖維素、半纖維素（木聚糖、木葡聚糖、甘露聚糖等）、木質(zhì)素以及少量的結(jié)構(gòu)蛋白和酶構(gòu)成[33]。目前研究發(fā)現(xiàn)，林木基因組中存在復(fù)雜的多級(jí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)作用于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素合成基因，從而調(diào)控次生細(xì)胞壁的形成與加厚過程，多種激素等信號(hào)分子也參與其中[34]。

木質(zhì)素是木材的主要成分之一，是林木次生生長(zhǎng)不可或缺的成分，直接影響木材的強(qiáng)度和密度。到目前為止，在楊樹木質(zhì)素合成方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[35-37]，發(fā)現(xiàn)有21個(gè)酶參與木質(zhì)素合成，這些酶在37個(gè)反應(yīng)通路中生成24種代謝物，并且建立了木質(zhì)素合成的新型系統(tǒng)生物學(xué)模型，該模型能夠預(yù)測(cè)木材形成過程中激活或關(guān)閉21種木質(zhì)素合成通路基因的任意一種或幾種帶來的影響，有助于更系統(tǒng)地了解木材的形成過程。此外，在木本植物中已經(jīng)分離鑒定到一系列調(diào)控纖維素、半纖維素合成的關(guān)鍵酶，如次生壁纖維素合酶（SCW CesAs）在木材次生細(xì)胞壁、應(yīng)拉木G層和韌皮纖維壁結(jié)構(gòu)上發(fā)揮功能[38]。

近年來，關(guān)于次生壁的轉(zhuǎn)錄調(diào)控也開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)NAC和MYB轉(zhuǎn)錄因子家族分別作為第一級(jí)和第二級(jí)主開關(guān)，共同激活一系列下游轉(zhuǎn)錄因子和次生壁物質(zhì)合成基因[39-40]。目前在楊樹 、桉 樹（Eucalyptus robusta）、白 樺（Betula platyphylla）、松樹（Pinusspp.）中已經(jīng)鑒定到一批與次生壁形成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，并構(gòu)建了木材形成轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，闡明了PtrSND1、PtrVND6、KNAT2/6b、EgMYB2、MYB10、MYB119等轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控次生壁形成與加厚的分子機(jī)制[41-44]。

1.4 木材細(xì)胞程序性死亡的調(diào)控機(jī)制

木材是樹木次生木質(zhì)部細(xì)胞凋亡、次生壁加厚后形成的樹干部分。細(xì)胞木質(zhì)化結(jié)束后，管狀分子和纖維細(xì)胞進(jìn)入了細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）階段，管狀分子的PCD過程包括細(xì)胞器的降解，同時(shí)伴隨著原生質(zhì)體的降解和部分未木質(zhì)化次生壁的降解。植物細(xì)胞的液泡裂解在管狀分子的PCD過程中起關(guān)鍵作用，其觸發(fā)了木質(zhì)部細(xì)胞的PCD過程。當(dāng)液泡裂解后，其中的蛋白酶、DNase和RNase等水解酶釋放到原生質(zhì)中，繼而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的完全降解[45-46]。

目前，關(guān)于林木中木質(zhì)部PCD的分子調(diào)控機(jī)制研究較少，而且主要集中在酶學(xué)調(diào)控方面，包括核酸酶與蛋白酶等。毛白楊線粒體抗壞血酸過氧化酶PtomtAPX在木質(zhì)部PCD過程中，可以從線粒體釋放并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞壁上，參與催化木質(zhì)素單體的聚合，通過酶的重定位機(jī)制實(shí)現(xiàn)早期次生壁的快速形成。相關(guān)結(jié)果為解釋樹木木質(zhì)部細(xì)胞中PCD過程與早期次生壁的快速形成之間的偶聯(lián)，以及細(xì)胞自主木質(zhì)化機(jī)制如何提供木質(zhì)素合成酶等酶和底物等問題提供了新的理論依據(jù)[47]。此外，在杜仲（Eucommia ulmoides）中也發(fā)現(xiàn)，SNC結(jié)構(gòu)域基因家族中2個(gè)Ca2+依賴型核酸酶基因EuCaN1和EuCaN2在次生木質(zhì)部分化的PCD過程中發(fā)揮重要功能[48]。

2 林木經(jīng)濟(jì)性狀形成的分子機(jī)制

2.1 林木花發(fā)育的調(diào)控機(jī)制

林木通常需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的童期才能邁進(jìn)開花過程[49]。進(jìn)入成年期后，林木花芽形成期與盛花期之間往往需要經(jīng)過花芽休眠，呈現(xiàn)出季節(jié)性和同步開花作用，其中主要涉及到花芽休眠調(diào)控的機(jī)制[50]。

對(duì)林木中開花基因的研究表明，同源基因的功能存在較高的保守性，而基因復(fù)增能導(dǎo)致基因功能的歧化。楊樹全基因組復(fù)增產(chǎn)生了2個(gè)FLOWERING LOCUST（FT）基因（FT1和FT2），F(xiàn)T1主要調(diào)控低溫誘導(dǎo)的花芽發(fā)育和季節(jié)性開花過程[51]，而FT2能夠調(diào)控童期的長(zhǎng)短，在溫暖和長(zhǎng)日照的環(huán)境下促進(jìn)抽梢、抑制花芽的形成[52]。林木季節(jié)性開花主要受光周期和溫度條件的影響，激素信號(hào)和發(fā)育基因的共同作用調(diào)控了芽休眠機(jī)制[53]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著冬天來臨和白天變短，植物ABA信號(hào)能促進(jìn)胞間連絲關(guān)閉和芽休眠，維持冬季生存[54]。楊樹中SHORT VEGETATIVE PHASELIKE（SVL）基因作用于ABA信號(hào)的下游，能夠拮抗赤霉素介導(dǎo)的生長(zhǎng)過程，并且關(guān)閉胞間連絲來調(diào)控芽的休眠[55-56]。除此以外，植物生長(zhǎng)素、乙烯、細(xì)胞分裂素等的合成和信號(hào)傳導(dǎo)以及碳水化合物積累途徑也在林木開花中發(fā)揮調(diào)控作用[49]。

許多林木在花器官發(fā)育中存在性別分化現(xiàn)象，對(duì)林木的生殖繁衍和經(jīng)濟(jì)林的花果發(fā)育產(chǎn)生重要影響。近年來隨著基因組學(xué)的發(fā)展，林木中潛在的性染色體及其調(diào)控位點(diǎn)也陸續(xù)被鑒定出來[57-58]。在楊屬植物中發(fā)現(xiàn)1個(gè)位于Y染色體上的關(guān)鍵調(diào)控因子基因ARR17，該基因位點(diǎn)通過形成反向重復(fù)方式調(diào)控了雌雄花的發(fā)育[59-60]。基于柿子（Diospyros lotus）自然群體全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定到了1個(gè)位于Y染色體上的小RNA基因OGI，該基因特異識(shí)別常染色體上的基因MeGI調(diào)控了雌雄花發(fā)育[61-62]。

2.2 林木果實(shí)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制

果實(shí)是被子植物特有的器官。在分子水平研究林木果實(shí)發(fā)育調(diào)控機(jī)制，篩選和鑒定影響果實(shí)發(fā)育的關(guān)鍵功能基因，對(duì)定向培育優(yōu)質(zhì)果用林木品種和促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。

果實(shí)大小、顏色和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量是評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)的重要經(jīng)濟(jì)性狀，其形成的分子基礎(chǔ)也有相關(guān)研究報(bào)道。在果實(shí)大小方面，過表達(dá)和沉默甜櫻桃（Prunus aviumL.）PaCYP78A9基因揭示了其對(duì)櫻桃（Prunus avium）果實(shí)大小的調(diào)控功能[63]；過表達(dá)富士蘋果（Malus domesticaBorkh）干旱誘導(dǎo)水通道蛋白基因MdPIP1;3，轉(zhuǎn)基因植株的果實(shí)長(zhǎng)度和直徑顯著提高[64]；通過嫁接比較分析發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素應(yīng)答基因調(diào)控‘沙塘居’柑橘（Citrusreticulata）的果實(shí)大小[65]。在果實(shí)著色方面，低溫誘導(dǎo)蘋果bHLH轉(zhuǎn)錄因子基因MdbHLH3結(jié)合花青素生物合成基因MdDFR、MdUFGT的啟動(dòng)子和調(diào)控基因MdMYB1激活其表達(dá)，揭示MdbHLH3調(diào)控低溫誘導(dǎo)的蘋果花青素積累和果實(shí)著色[66]；轉(zhuǎn)錄組分析顯示，柑橘果實(shí)著色主要受激素信號(hào)、類胡蘿卜素生物合成和MYB、bHLH家族等轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控[67]。在果實(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量方面，通過人工疏果比較發(fā)現(xiàn)，糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因CrSUT1、CrSTP1和CrTMT1可以加快糖的積累，從而提高柑橘果實(shí)品質(zhì)[68]；蘋果MdbHLH3轉(zhuǎn)錄因子（花青素相關(guān)基因）與3個(gè)參與乙烯生物合成的基因MdACO1、MdACS1、MdACS5A的啟動(dòng)子結(jié)合，激活這些基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，促進(jìn)乙烯生物合成，從而促進(jìn)果實(shí)成熟 ，提 高 果 實(shí) 品 質(zhì)[69]；栓 皮 櫟（Symplocos paniculata）果實(shí)發(fā)育轉(zhuǎn)錄組分析表明，ACC、FATA、FATB、FAD2、DGAT1和PADT1基因是影響其果實(shí)油品質(zhì)的關(guān)鍵基因[70]。

2.3 林木油脂合成的調(diào)控機(jī)制

木本油料產(chǎn)業(yè)為我國(guó)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，可作為優(yōu)質(zhì)的食用植物油來源，也可作為生產(chǎn)生物柴油原料，還被用于飼料添加劑和化妝品行業(yè)[71-72]?，F(xiàn)階段，林木油脂合成調(diào)控的研究主要集中在脂肪酸和三酰甘油合成所涉及的關(guān)鍵酶及調(diào)控因子上[73-74]。脂肪酸合成所涉及的酶主要包括乙酰輔酶A羧化酶、脂肪酸合酶、脂肪酰-ACP硫酯酶等，它們以乙酰輔酶A為原料經(jīng)過羧合、還原、脫水、再還原4步催化形成不同長(zhǎng)度的游離脂肪酸。脂肪酸再在?；鵆oA合成酶的作用下形成酰基CoA，然后依次在甘油-3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶、溶血磷脂酸?；D(zhuǎn)移酶、二酰甘油轉(zhuǎn)移酶的作用下，?；鵆oA被轉(zhuǎn)移至甘油形成三酰甘油[75-76]。轉(zhuǎn)錄因子在油脂的生物合成與調(diào)控中也起了關(guān)鍵作用，bZIP、WRI、MYB、Dof、LEC等轉(zhuǎn)錄因子參與了脂肪酸結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)、果實(shí)（種子）不同發(fā)育時(shí)期油脂積累、脂肪酸成分等的生理生化和分子調(diào)控[77-78]。 核 桃（Juglans regia）、油 茶（Camellia oleifera）、油橄欖（Olea europaea）等木本油料樹種的油脂主要以油酸、亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸為主，去飽和酶（desaturase）介導(dǎo)了飽和脂肪酸合成后引入雙鍵進(jìn)而形成不飽和脂肪酸的反應(yīng)，其高效表達(dá)對(duì)林木油脂的產(chǎn)量和品質(zhì)起至關(guān)重要的作用[79-81]。

2.4 其他重要代謝產(chǎn)物

在林木代謝物研究中，對(duì)淀粉、糖類、芳香類和萜類化合物的研究較為普遍，這些重要代謝產(chǎn)物在林木生長(zhǎng)、發(fā)育和防御等方面發(fā)揮重要作用[82]。從轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控來看，楊樹GATA型轉(zhuǎn)錄因子PdGNC調(diào)控楊樹中的淀粉含量[83]。楊樹MYB165和MYB194轉(zhuǎn)錄因子能夠通過抑制類黃酮合成通路上的基因表達(dá)從而顯著抑制苯丙氨酸的含量[84]。蘋果MdMYB16/MdMYB1轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控蘋果果實(shí)花色苷和木質(zhì)素生物合成之間的合成穩(wěn)態(tài)[85]。從轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控來看，楊樹MiR828通過調(diào)控MYB轉(zhuǎn)錄因子來影響木質(zhì)素合成[86]。沙棘（Hippophae rhamnoides）長(zhǎng)鏈非編碼 RNA（LNC1和LNC2）調(diào)控沙棘果實(shí)發(fā)育過程中花青素的生物合成[87]。在蘋果果實(shí)中，光誘導(dǎo)產(chǎn)生的lncRNA MdLNC499參與蘋果果皮光照早期的花色素苷積累過程[88]。

3 林木抗逆性形成的分子調(diào)控機(jī)制

林木在長(zhǎng)期生長(zhǎng)過程中會(huì)面臨多種環(huán)境脅迫因素，主要包括干旱、鹽堿、溫度和重金屬等非生物脅迫及病蟲害侵染等生物脅迫。林木抵抗各種脅迫因素的能力稱為抗逆性，環(huán)境脅迫對(duì)樹木生長(zhǎng)發(fā)育危害較大，是影響林木產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。研究林木響應(yīng)多種環(huán)境脅迫的調(diào)控機(jī)制并闡明適應(yīng)性的分子基礎(chǔ)，可以為創(chuàng)制和培育高抗優(yōu)質(zhì)林木新品種提供理論基礎(chǔ)。

3.1 林木非生物脅迫響應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制

干旱和鹽堿作為抑制林木正常生長(zhǎng)發(fā)育的主要非生物脅迫因子，在生理、分子與代謝水平通過調(diào)控光合產(chǎn)物分配影響著樹木的生長(zhǎng)與生存。為了適應(yīng)干旱脅迫，植物除產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)、水勢(shì)和水力結(jié)構(gòu)改變以及蒸騰作用等一系列生理變化外，還產(chǎn)生了多種復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)一些特殊的功能蛋白質(zhì)（如滲透調(diào)節(jié)蛋白、膜蛋白和脂轉(zhuǎn)蛋白等）的表達(dá)，響應(yīng)干旱脅迫。在干旱脅迫下，植物體內(nèi)游離氨基酸，如脯氨酸（Pro）含量明顯升高，脫落酸（ABA）大量增多，細(xì)胞分裂素（CK）減少，刺激乙烯的產(chǎn)生，并通過這些轉(zhuǎn)變影響其他生理過程[89]。另外，干旱和鹽堿還可以誘導(dǎo)植物體內(nèi)活性氧自由基過量積累，產(chǎn)生氧化脅迫，植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成了一套相應(yīng)的抗氧化酶系統(tǒng)，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化物酶（POD）以及谷胱甘肽還原酶（GR）等[90-91]。

多年生木本植物經(jīng)常經(jīng)歷極端的溫度脅迫。木本植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，進(jìn)化出一系列適應(yīng)和抵抗低、高溫脅迫的分子機(jī)制。熱激轉(zhuǎn)錄因子HSF通過激活熱激蛋白（HSPs）在木本植物的熱脅迫應(yīng)答中扮演重要角色。葡萄（Vitis vinifera）葉片轉(zhuǎn)錄組和文冠果（Xanthoceras sorbifoliumBunge）葉片蛋白質(zhì)組分析表明，熱激蛋白和抗氧化酶表達(dá)量顯著增加，在葡萄和文冠果的耐熱性中起關(guān)鍵作用[92-93]。Liu等[94]從茶樹（Camellia sinensis）轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)中共鑒定出16個(gè)CsHsfs成員，其中 4個(gè)基因（CsHsfA6、CsHsfC1,CsHsfB1,CsHsfB2b）在熱脅迫下明顯上調(diào)。另外，在蘋果葉片中抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)途徑中的基因或者酶活顯著上調(diào)以應(yīng)對(duì)高溫處理產(chǎn)生的活性氧[95]。

木本植物受到低溫脅迫時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一些轉(zhuǎn)錄因子，最典型的是CBF、bHLH、MYB和ERFs等家族成員。利用遺傳轉(zhuǎn)化手段在梅花（Prunus mume）[96]、秋子梨（Pyrus ussuriensis）[97]、蘋果[98]、山葡萄（Vitis amurnensis）[99]、柑橘[100]和胡楊（Populus euphratica）[101]等樹種中研究了大量的低溫關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，并鑒定出下游目標(biāo)基因，揭示了這些轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控活性氧平衡或者甘氨酸甜菜堿生物合成增強(qiáng)耐凍性的分子機(jī)制。此外，研究人員利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)了大量的冷脅迫誘導(dǎo)基因，它們直接參與植物抗逆反應(yīng)，提高木本植物的耐凍性。從橡膠樹（Hevea brasiliensis）、油茶等植物比較轉(zhuǎn)錄組中發(fā)現(xiàn)參與脫落酸代謝和信號(hào)傳導(dǎo)、脫落酸非依賴性途徑等基因在低溫響應(yīng)中可能發(fā)揮重要作用[102-103]。同時(shí)，在冷誘導(dǎo)功能基因方面也開展了初步研究。冬青（Ammopiptanthus mongolicus）AmEBP1基因通過加速核糖體生物發(fā)生以及冷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子和下游保護(hù)蛋白的翻譯來增強(qiáng)植物的耐寒性[104]。冷敏感木薯（Manihot esculenta）幼苗抗冷鍛煉研究表明，與氧化還原調(diào)節(jié)有關(guān)的ROP interactive partner 3、小分子營(yíng)養(yǎng)代謝有關(guān)的核糖體蛋白L11和泛素6及類RmlC cupins家族蛋白的編碼基因在冷脅迫下表達(dá)量明顯上調(diào)，在一定程度上提高了木薯的抗寒性[105]?？傊?，隨著各測(cè)序平臺(tái)的快速發(fā)展，越來越多的木本植物基因組公布，使得科學(xué)家在植物感知和響應(yīng)溫脅迫研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

近年來，利用楊樹作為木本模式植物，開展對(duì)重金屬抗性和積累機(jī)制的分析。目前已解析了外源脫落酸增強(qiáng)鉛吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒在楊屬物種中的生理及分子機(jī)制[106]，發(fā)現(xiàn)了鎘積累的相關(guān)基因[107]，揭示了GSH誘導(dǎo)鎘轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒相關(guān)基因的表達(dá)增強(qiáng)鎘耐受機(jī)制[108]，闡明了大青楊（Populus ussuriensis）熱激轉(zhuǎn)錄因子PuHSFA4a通過激活抗氧化系統(tǒng)和根發(fā)育相關(guān)基因PuGSTU17和PuPLA促進(jìn)鋅耐受性的分子機(jī)制[109]。此外，柳樹是一種鎘耐性和地上部積累較多的木本植物，通常用于修復(fù)鎘污染的土壤。利用鎘耐性和積累量差異較大 的 旱 柳（Salix matsudana）和 饅 頭柳（Salix matsudanavar. matsudana f. umbraculifera Rehd），通過生理形態(tài)學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)比較揭示了抗壞血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）代謝途徑饅頭柳的鎘解毒和耐性中起著重要作用[110]。同時(shí)，在核桃中明確了JrVHAG1基因通過ABA信號(hào)通路對(duì)Cd耐受的作用[111]。以上研究成果為通過現(xiàn)代生物技術(shù)培育重金屬耐性和積累量較高的林木新品種，從而修復(fù)重金屬污染土壤奠定了理論基礎(chǔ)。

3.2 林木生物脅迫響應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制

生物脅迫主要有病害和蟲害2種。病害是由于病原微生物如真菌、細(xì)菌、病毒、類病毒、線蟲等侵入植物體內(nèi)造成傷害而導(dǎo)致的癥狀。其中真菌病害是數(shù)量多、危害嚴(yán)重的一類病害[112]。歐洲白蠟樹（Fraxinus excelsior）對(duì)枯梢病真菌的感染程度與環(huán)烯醚萜苷含量有關(guān)[113]。叢枝菌根真菌的感染增加了楊樹葉片的防御能力，從而影響了其對(duì)病害的抗性[114]。挪威云杉（Picea abies）在杜鵑金銹菌的感染過程中會(huì)引發(fā)超敏反應(yīng)（hypersensitivity，HR）和酚類途徑的變化，導(dǎo)致受侵染云杉針葉的莽草酸等代謝物含量發(fā)生改變，該研究為挖掘其對(duì)杜鵑金銹菌的抗性機(jī)制提供了基礎(chǔ)[115]。其次是細(xì)菌病害，通過開展木麻黃（Casuarina equisetifolia）青枯病抗病性狀與分子標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，CASeSSR241等10個(gè)與木麻黃青枯病抗病性狀顯著關(guān)聯(lián)的EST-SSR（expressed sequence tag - simple sequence repeat）位點(diǎn)[116]。

目前部分研究認(rèn)為林木抗蟲性狀受單基因控制，也有一些研究認(rèn)為其是多基因協(xié)同調(diào)控的結(jié)果。通過構(gòu)建遺傳圖譜可尋找數(shù)量性狀基因位點(diǎn)（quantitative trait locus，QTLs）和分析基因組結(jié)構(gòu)。利用RFLP和RAPD（random amplified polymorphism DNA）建立了多種植物（如火炬松、白云杉、楊樹和桉樹等）的遺傳圖譜，并對(duì)其抗性進(jìn)行了分析[117]。在楊樹抗云斑天牛的研究中，已篩選出與抗云斑天牛相連鎖的RAPD分子標(biāo)記[118]。將抗蟲基因?qū)胫参铮蛊洚a(chǎn)生對(duì)害蟲有毒的物質(zhì)，從而達(dá)到防治害蟲的目的。在林木中研究較多、應(yīng)用廣泛的是蘇云金桿菌毒蛋白基因（Bt），其在芽孢形成過程中會(huì)產(chǎn)生殺蟲活性的結(jié)晶蛋白，進(jìn)一步在昆蟲幼蟲的中腸道內(nèi)，轉(zhuǎn)化為毒性多肽分子。歐洲黑楊轉(zhuǎn)Bt基因?qū)畛唧逗臀瓒径甑目瓜x率可達(dá)50%～100%[119]。

3.3 林木環(huán)境適應(yīng)性的分子基礎(chǔ)

林木長(zhǎng)期生長(zhǎng)在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中，通過自然選擇或人工選擇產(chǎn)生適應(yīng)性，即能采取多種調(diào)節(jié)機(jī)制來響應(yīng)環(huán)境脅迫因素，從而讓有利性狀被保留下來并不斷加強(qiáng)，不利性狀則逐漸被淘汰。利用群體遺傳學(xué)等方法研究林木環(huán)境適應(yīng)性變異的驅(qū)動(dòng)和維持機(jī)制等分子基礎(chǔ)，對(duì)于林木資源高效利用和遺傳改良具有重要意義。

目前已有研究[120]解析了青藏高原特有森林類群高山松的群體基因組變異和演化機(jī)制，以及地理、生態(tài)環(huán)境因子對(duì)空間遺傳格局和適應(yīng)性的影響與對(duì)未來氣候變化的反應(yīng)。通過構(gòu)建迄今最大的核桃基因組變異圖譜，對(duì)群體中與溫度、降雨量、海拔相關(guān)的環(huán)境因子進(jìn)行基因-環(huán)境關(guān)聯(lián)分析，鑒定并解析主效基因，從而揭示出核桃環(huán)境適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)[121]。此外，在溫帶和北方樹木基因組中發(fā)現(xiàn)與環(huán)境（主要是溫度）梯度有關(guān)的冷適應(yīng)性狀存在顯著的遺傳突變，并進(jìn)一步深入解析了樹木對(duì)冬季寒冷適應(yīng)性復(fù)雜的遺傳、生理和分子調(diào)控機(jī)制[122]。

4 展望

4.1 與國(guó)家重大戰(zhàn)略需求契合的重要性狀

林木性狀形成的分子基礎(chǔ)研究應(yīng)契合國(guó)家戰(zhàn)略需求。當(dāng)前“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)賦予了林業(yè)發(fā)展更加艱巨的使命[123]。森林覆蓋了地球陸地表面的約30%，是碳固存的關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)，最近的估計(jì)表明，森林作為持久的碳匯，其全球碳儲(chǔ)存能力相當(dāng)于海洋[124]。但是，迄今人們對(duì)林木固碳能力的形成過程還不清晰。光合碳代謝是地球上最重要的生化過程之一，其中心途徑是Calvin-Benson-Bassham循環(huán)，通過一系列反應(yīng)使無機(jī)碳（inorganic carbon，Ci）摻入有機(jī)碳中，同時(shí)太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在碳水化合物分子中[125]。目前通過光合碳代謝途徑的遺傳改良提升產(chǎn)量的研究已經(jīng)在農(nóng)作物中開展[126]。隨著林木分子生物學(xué)的發(fā)展，以林木為載體的遺傳工程在碳代謝和光合效率的改良具有發(fā)揮更大作用的潛力。

極端氣候威脅著全世界農(nóng)林業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。隨著日益嚴(yán)重的高溫和干旱，樹木的生產(chǎn)力和生存面臨挑戰(zhàn)，威脅著森林生態(tài)系統(tǒng)[127]。總體而言，林木暴露于高溫和干燥的環(huán)境中會(huì)增加“葉片/空氣水蒸氣壓赤字”，并導(dǎo)致干旱敏感性增加和生產(chǎn)力降低[128]。因此，深入理解林木水分利用率的形成、極端環(huán)境響應(yīng)過程、逆境適應(yīng)性的進(jìn)化機(jī)制等分子基礎(chǔ)，對(duì)創(chuàng)制高耐受性林木良種有重要意義。

4.2 研究性狀的技術(shù)方法和工具

當(dāng)前，育種基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法在指導(dǎo)林木良種選育中得到了快速發(fā)展，但是仍有許多短板問題需要解決。①通常林木基因組較龐大、雜合度高，造成利用早期測(cè)序技術(shù)構(gòu)建樹種基因組組裝質(zhì)量不高[129]。因此，進(jìn)一步提升參考基因組的質(zhì)量仍是在多數(shù)樹種中開展全基因組選擇（GS）育種和分子設(shè)計(jì)育種面臨的基礎(chǔ)性問題。②相對(duì)于低成本、高通量、標(biāo)準(zhǔn)化分析的林木基因型數(shù)據(jù)，大規(guī)模、多維度的表型組數(shù)據(jù)獲取方法較為滯后且實(shí)際利用程度不高[130]。如何開發(fā)林木表型性狀高通量測(cè)定技術(shù)，搭建準(zhǔn)確有效的表型數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái)，充分挖掘利用種質(zhì)資源，是現(xiàn)代林木遺傳育種面臨的又一問題。③多基因聚合育種和基因編輯育種都有賴于高效的遺傳轉(zhuǎn)化體系，但許多生產(chǎn)上推廣的優(yōu)良品種和我國(guó)特有的鄉(xiāng)土樹種仍不具有組培或遺傳轉(zhuǎn)化體系，限制了基因工程技術(shù)的應(yīng)用。