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中国林科院亚林所：树木中基因季节性表达的分子机制

花匠小妙招
2025-08-25 15:27

研究背景

在树木中，芽的活跃及休眠状态的年周期性循环受到环境因素的密切调控，这对它们的生产力和生存具有重要意义。研究发现，响应昼长或温度分子通路的平行或趋同进化可建立保守的周期性基因表达模式。近年来，大量针对木本植物的研究均表明，基因表达年节律模式的变化可能是林木适应性进化的基础。

基于此，来自中国林业科学研究院的博士研究生储显作为第一作者，殷恒福研究员作为通讯作者在International Journal of Molecular Sciences (IJMS) 期刊上发表了综述文章“Molecular Mechanisms of Seasonal Gene Expression in Trees”。该综述总结了昼长和温度这两个因素在芽生长、休眠及萌发过程中季节性调控分子机制的研究进展，并对气候变化下树木生长年周期的研究方向进行了展望。基因表达年节律模式的建立是木本植物适应性进化的标志性事件，了解和剖析其调控机制对基础研究和应用研究都具有重要意义。

图为树木的年周期生长与基因的节律性表达。

综述内容

昼长和温度是关键的环境线索，也是季节变化的重要标志。在树木中，昼夜节律钟是预测季节变化并通过调节基因表达使其生命活动与环境同步的关键因素。大量研究表明，昼夜节律钟对季节性发育、开花、光合作用、叶片衰老、叶片运动、生物量积累以及对生物和非生物胁迫的响应等生命过程具有重要影响。在温带地区，当昼长降到临界值 (CDL) 以下时，多年生树木就会停止生长，进入休眠期；通过减少昼夜节律钟基因的表达，可以缩短临界昼长，从而推迟芽的萌发期。温度是植物对外部环境变化做出反应的另一个重要线索，在调节树木的芽发育、休眠和春化方面起着关键作用。对于大多数温带和亚热带地区的木本植物，它们只有在满足了对温度的定量要求后，才能顺利进入、维持和解除休眠，从而完成开花和散叶等生长过程。

图为温度和昼长参与基因节律表达的建立。

大量木本植物的研究表明，一些MADS-box基因广泛参与了芽休眠的调控。根据系统发育和分子进化分析，这些基因被归类为AGL24/SVP亚家族，又被称为DAM (DORMANCY- ASSOCIATED MADS-BOX) 或SVP-like (SHORT VEGETATIVE PHASE-like)，它们的表达谱与树木休眠周期的进展密切相关，一般在休眠建立和维持阶段表达量较高，而在芽休眠释放阶段表达量较低。此外，DAM和SVP-like基因不仅可以通过抑制FT-like的表达调控芽休眠进程，还能与SOC1和植物激素等共同作用行使功能。

图为DAM/SVP-like基因的进化和功能。

表观遗传调控是控制植物基因表达的重要机制。最新的研究证明，组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA修饰也都广泛参与到木本植物中有关休眠基因的季节性表达调控。这些表观修饰的靶标除了上文所提到的MADS-box基因外，还涉及到植物激素生物合成与信号转导、细胞周期和细胞壁修饰途径等多种类型相关基因。

研究总结

近年来，随着相关研究的不断展开，人们对基因年节律性表达的分子调控机制有了较为深入的认识。但是目前的了解仍然具有一定局限性，比如哪些基因在其年度表型变化中真正具有节律性、内源性和决定性，以及不同环境因素的叠加效应对植株的综合影响，这些问题都有待进一步揭示。同时，研究者认为，林木芽的休眠——激活将是未来深入研究的一个重要方向，这一节律性生长活动涉及外源环境的感知、内源激素调控、信号转导、分生组织活性和器官发育等一系列重要过程，了解这些信息对于农林业的发展具有重要生产意义。

原文信息

Chu, X.; Wang, M.; Fan, Z.; Li, J.; Yin, H. Molecular Mechanisms of Seasonal Gene Expression in Trees. Int. J. Mol. Sci. 2024, 25, 1666. https://www.mdpi.com/2658300

IJMS 期刊介绍

期刊发表生物化学与分子生物学、生物材料、生物物理、生物医学、化学和纳米科学等分子相关领域研究，已被 Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed 等数据库收录。

2023 Impact Factor: 4.92023 CiteScore: 8.1