近日，我校張德強教授團隊在Plant Physiology上在線發表了題為“Integrating 3D imaging, GWAS and single-cell transcriptome approaches to elucidate root system architecture inPopulus”的研究論文。該研究首次利用3D成像、全基因組關聯分析（GWAS）、單細胞轉錄組與分子生物學等多學科交叉技術手段，開發了林木根系表型組學分析體系，解析了楊樹根系構型的遺傳基礎，鑒定出調控楊樹根系構型的關鍵基因PsiSKP2B。該成果系統闡明了林木根系發育的遺傳調控機制，為林木形態建成、環境適應性與抗逆機制等研究提供了科學理論指導。

根系作為吸收樹木水分與營養元素、維持形態結構穩定性的重要器官，其構型特征直接影響植物生長發育、抗逆能力與形態建成。然而，林木具有多年生、植株高大、根系結構復雜等生物學特點，特別是由于根系埋藏于地下，表型獲取困難，其遺傳調控機制在林木中長期以來研究不足。其根系表型的高通量無損數字化獲取仍存在技術瓶頸，導致木本植物根系構型的遺傳基礎研究進展緩慢。為此，團隊依托小葉楊種質資源群體（303份），整合3D成像技術與圖像分割算法，開發了林木根系表型組學分析體系，系統分析了小葉楊種質資源群體根系表型特征，構建了包含96個微觀性狀的根系表型數據集。利用全基因組關聯分析（GWAS）方法，揭示了小葉楊根系構型的遺傳基礎，鑒定了72個影響根系構型的關鍵基因，主要涉及細胞分裂、側根形成、分生組織發育以及激素信號傳導等生物學過程。特別是，發現編碼F-box泛素連接酶基因PsiSKP2B與6個根系性狀存在顯著關聯，表明其在楊樹根系發育過程中的潛在重要功能價值。

圖1 根系表型數據采集的工作流程

進一步，利用單細胞轉錄組測序，成功注釋了楊樹根系的8種主要細胞類型，包括非成毛體細胞、中柱細胞、皮層細胞、側根冠細胞、中央根冠細胞、內皮層細胞、分生細胞和成毛體細胞，構建了首個楊樹根系單細胞轉錄圖譜。發現上述72個根系發育候選基因呈現出細胞特異性表達模式。其中，PsiSKP2B在分生細胞與側根冠細胞中具有較高表達水平，該空間表達特征有效支撐了GWAS研究結果，為在單細胞分辨率下揭示PsiSKP2B的遺傳調控機制提供了細胞學證據。

圖2楊樹側根的聚類注釋

為揭示PsiSKP2B調控根系發育等分子作用機制，構建了PsiSKP2B的楊樹遺傳轉化株系，發現PsiSKP2B是楊樹側根發育等正向調控因子。聯合利用共表達網絡分析以及酵母雙雜交、蛋白免疫共沉淀、泛素化等分子生物學實驗，發現PsiSKP2B能夠提高根系生長素含量，泛素化降解PsiZHD9與PsiWOX4蛋白，正向調控楊樹側根發育。綜上所述，本研究首次在木本植物中構建了從表型到基因、從組織到細胞的多層次調控框架，為今后林木根系遺傳改良、植株形態建成、抗旱耐鹽品種選育提供了新靶點與技術支撐。

圖3 PsiSKP2B調控側根發育的分子機制

北京農業職業學院張德強教授為本文通訊作者，博士研究生李晶晶和北京林業大學薄文浩副教授為論文共同第一作者。北京林業大學宋躍朋教授、澳大利亞CSIRO柳青研究員以及加拿大UBC Yousry A. El-Kassaby教授參與指導了該研究。本研究獲國家自然科學基金(32170370、31800559和32370396)及111引智計劃(NO. B20050)等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf432

【2510037】（宣傳部）