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竹類植物擁有獨特的演化歷史，在草本為主的禾本科中，木本竹分支演化出高度木質(zhì)化且快速生長的莖稈創(chuàng)新性狀，使其成為一類重要的可再生非木材林產(chǎn)品。已有研究表明，植物激素尤其是赤霉素在木本竹類莖稈快速生長上扮演著重要的角色。同時，對多倍體植物的研究則表明亞基因組間的互作對關(guān)鍵創(chuàng)新性狀的形成也至關(guān)重要。在木本竹類中，與莖稈快速高生長相關(guān)的赤霉素基因在亞基因組間如何互作，這種互作對這一重要創(chuàng)新性狀調(diào)控的機(jī)制尚不清晰。

中國科學(xué)院昆明植物研究所李德銖研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國西南野生生物種質(zhì)資源庫，致力于竹類植物系統(tǒng)分類、關(guān)鍵創(chuàng)新性狀的調(diào)控和演化研究。在前期通過多組學(xué)研究揭示了優(yōu)勢亞基因組驅(qū)動竹類植物的生活史轉(zhuǎn)變和木本竹類物種多樣化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以11個代表性竹種為研究對象，通過整合野外觀測、激素含量測定、轉(zhuǎn)錄組及基因組等多維度的數(shù)據(jù)，在亞基因組層面對竹類植物莖稈快速生長這一獨特創(chuàng)新性狀的演化及調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了深入探討。

圖1?赤霉素在木本竹植株大小和快速生長調(diào)控中的作用

研究結(jié)果表明，赤霉素可能調(diào)控木本竹筍的快速生長和成熟莖稈的植株高度，而且在已記錄最大的巨龍竹中起主要作用的活性赤霉素類型是GA1，赤霉素合成代謝中的關(guān)鍵基因KAO和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵基因SLRL1可能是木本竹中調(diào)控筍快速生長的重要基因。通過分析比較代表性竹種中赤霉素相關(guān)基因在幼嫩筍及快速生長筍中的轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)赤霉素相關(guān)基因的表達(dá)在植株高度差異明顯的木本竹中呈現(xiàn)出顯著的亞基因組不對稱性。在植株高大的竹種中，A、C亞基因組上的基因表達(dá)占主導(dǎo)；而在植株矮小的竹種中，B、D亞基因組上的基因表達(dá)占主導(dǎo)。對關(guān)鍵基因的基因結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，木本竹中呈現(xiàn)出的這種與關(guān)鍵性狀分化相關(guān)聯(lián)的亞基因組不對稱性可能是亞基因組特異的基因結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，包括相關(guān)基因的UTRs和核心啟動子的數(shù)目和分布位置變異等。

圖2.?赤霉素相關(guān)基因不對稱性表達(dá)與木本竹大小調(diào)控模式圖

以上研究以Subgenome asymmetry of gibberellins-related genes plays important roles in regulating rapid growth of bamboos為題在線發(fā)表于Plant Diversity（10.1016/j.pld.2024.10.004）。中國科學(xué)院昆明植物研究所茂玲博士為論文第一作者，馬朋飛研究員、李德銖研究員、郭振華研究員為論文通訊作者。該研究得到了云南省自然科學(xué)基金重點項目(202401AS070082)和國家自然科學(xué)基金項目(32120103003、31970355)等項目的資助。

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