摘要：杉木是我国人工林第一大树种，在我国林业生产中占重要地位，具有重要的经济、文化和生态价值。与农作物及杨树相比，杉木育种工作相对滞后。传统杉木育种的周期不低于20年，很大程度上限制了杉木的良种选育进程。基因工程育种是进行杉木遗传改良的重要手段，然而，杉木体胚再生存
杉木是我国人工林第一大树种，在我国林业生产中占重要地位，具有重要的经济、文化和生态价值。与农作物及杨树相比，杉木育种工作相对滞后。传统杉木育种的周期不低于20年，很大程度上限制了杉木的良种选育进程。基因工程育种是进行杉木遗传改良的重要手段，然而，杉木体胚再生存在强烈的基因型依赖性，限制了这一技术在杉木遗传改良、种质创新和良种繁育等方面的应用。近年来，植物从头芽器官发生（De novo shoot organogenesis，DNSO）的方法在植物基因工程育种应用方面发挥了重要作用，但杉木中仍缺乏较为完善的从头芽再生体系，且其中的分子机制仍不明确，阻碍了杉木分子生物和基因工程育种的研究。
近日，福建农林大学林学院马祥庆教授和海峡联合研究院朱强教授团队在国际知名期刊《The Plant Journal》上在线发表了题为“Time-Course transcriptome and proteomics dynamics during the de novo shoot organogenesis in Chinese fir (Cunninghamia lanceolata)”《杉木从头芽器官发生过程中的时间序列转录组与蛋白质组动态分析》的封面文章，该研究报道了高效的杉木DNSO体系，并对影响杉木芽器官发生的分子机制进行了研究。
该研究通过探讨不同植物生长调节剂组合及其配比对杉木从头芽器官发生的影响，建立了高效的杉木从头芽器官发生体系（图1a），并对杉木从头芽器官发生的过程进行了石蜡切片分析，通过细胞形态的变化，明确了杉木芽器官发生的六个关键阶段（图1b）。
图1 杉木从头芽器官发生过程
由于杉木基因组信息尚未发布，本研究进行了三代全长转录组测序。以杉木DNSO过程的材料为样本，生成137,369个高质量的全长转录本。同时，对上述六个阶段的材料分别进行二代转录组测序和DIA蛋白质组学（Data-Independent Acquisition Proteomics），系统揭示了在转录水平上杉木在芽分化过程中基因转录水平和蛋白水平的时空动态变化及可能参与调控的途径，并分离出可能参与这一途径的重要因子。通过转录组与蛋白组联合分析，进一步明确了杉木芽再生过程中分子变化的复杂性。结果表明转录本与蛋白质变化的时序关系并非总是线性的，而是受到更复杂的调控机制支配。这种动态变化反映了基因表达调控的多层次参与，包括转录后调控、翻译调控及翻译后调控过程，这些机制共同促成了DNSO过程中mRNA与蛋白质水平的精密协调（图2）。
图2 杉木从头芽再生过程中转录组与蛋白组联合分析
此外，本研究也发现，植物响应非生物胁迫的相关基因在杉木从头芽再生的各个阶段都大量富集，表明植物的非生物胁迫响应可能参与了杉木的再生过程。进一步研究表明，通过外源添加适量的外源胁迫因子，如10Mm AgNO3、50mM ACC和150mM mannitol有效的提高了杉木的芽分化效率（图3），并调控WOX6，WOX8，LBD40等再生关键转录因子的表达。这一结果表明，同植物胚胎发生途径相类似，杉木的从头芽器官发生途径也需要响应植物非生物胁迫途径的基因参与。
图3 外源施加非生物胁迫处理对杉木从头芽器官发生的影响
综上，该研究建立了高效的杉木从头芽器官发生体系，并明确了杉木芽器官发生的关键时期。同时，该研究也整合转录组和蛋白组学等多组学数据，并结合生物信息学和分子生物学手段，提出了在杉木从头芽再生途径中基因表达的动态变化模型，为后续挖掘这一过程中的重要功能基因及了解杉木芽分化的分子机理提供了重要的基因资源，为将来杉木分子生物学的发展和基因工程育种提供了便利。
福建农林大学林学院马祥庆教授与海峡联合研究院朱强教授为论文的通讯作者，福建农林大学海峡联合研究院博士研究生丁文沙为论文第一作者。已毕业博士生叶善汶（现就职于福建省林业科学研究院）、王文佳（现为中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士后）、硕士生吴多可、王万萍、许俊杰和博士研究生蔡昌杨也参与了该研究。福建农林大学海峡联合研究院、福建农林大学林学院、国家林业局杉木工程技术研究中心等单位提供了先进的试验条件。该研究得到了国家重点研发项目（2023YFD2200203）及福建农林大学林学院高峰高原学科建设项目的支持。
作者简介：
丁文沙（第一作者），福建农林大学海峡联合研究院博士研究生，主要研究方向为林木分子生物技术。
马祥庆（通讯作者），福建农林大学林学院教授，博士生导师，中国林学会杉木专业委员会主任委员、中国林学会理事、福建省林学会副理事长。主要从事森林培育和水土保持领域研究。先后主持国家自然科学基金、促进海峡两岸合作国家重点基金，教育部优秀青年教师资助计划、教育部博士点基金、国家林业局948项目等课题，有12项成果获国家教委及福建省科技进步奖。在《Forest Ecology and Management》《Canadian Journal of Forest Research》《生态学报》《林业科学》等刊物上发表论文80余篇。
朱强（通讯作者），福建农林大学蛋白组学研究中心教授，博士生导师，闽江学者特聘教授。长期从事林木遗传转化与基因编辑研究，先后主持国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发专项子课题、福建省自然科学基金重点项目等10余项研究课题。以通讯作者在Trends in Plant Science、New Phytologist、Horticulture Research、Tree Physiology、Plant Journal和Journal of Integrative Plant Biology等期刊发表30余篇高水平论文。
来源：小方的科学世界
