不同光质调控青杨扦插苗生长的转录组学机制及其高海拔适应意义

本研究针对高海拔植物如何适应不同光环境的科学问题，由西南林业大学团队开展了青杨(Populus schneideri)在不同光质下的生长及转录组学研究。通过蓝膜(BF)和绿膜(GF)处理，发现蓝光显著促进株高生长而绿光抑制生长，转录组分析揭示光质通过CRY1-HY5-ARF8信号轴调控生长素响应基因(Aux/IAA14/16, GH3.1)表达，进而影响植物形态建成。该研究为高海拔地区植物引种栽培提供了分子调控新见解。

　　

在高海拔地区，强烈的短波光（如蓝光和紫外线）对植物生长构成严峻挑战。青杨(Populus schneideri)作为西南地区高海拔乡土树种，虽具备优良抗逆性，但其光适应机制尚未明确。光环境中的光质成分通过特定光受体介导的信号转导网络，与植物激素协同调控生长发育过程。前人研究表明，蓝光通过隐花色素(CRY)受体抑制下胚轴伸长，而绿光通过BES1转录因子促进胚轴伸长，但不同光质对木本植物尤其是高海拔树种的调控机制仍存在认知空白。

为解析青杨响应光质的分子机制，西南林业大学张孝林等人在《BMC Genomics》发表了题为"Transcriptomic analysis reveals the growth of Populus Schneideri in different light qualities"的研究。该研究采用彩色薄膜滤光技术（蓝膜BF、绿膜GF和无色透明膜WF对照），对青杨扦插苗进行60天处理，通过表型测量、转录组测序(RNA-seq)和qRT-PCR验证等技术手段，系统揭示了光质调控生长的分子通路。

研究主要采用以下关键技术：1）光谱比率分析（使用HR-550植物智慧光谱仪）；2）生长表型测量（株高、地径、叶长）；3）转录组测序（Illumina平台，参考基因组PRJNA886471）；4）生物信息学分析（HISAT2比对、edgeR差异基因分析、GO/KEGG富集分析）；5）qRT-PCR验证（以内源基因PED1为参照）。

Effects of blue and green film treatments on P.schneideri growth

研究发现BF处理显著促进株高增长（图1A,D），但抑制地径增粗；GF处理则显著抑制株高生长。叶片形态学分析显示BF处理显著促进叶长和叶宽增加（图1C,E），表明蓝光对青杨地上部生长具有特异性促进作用。

Analysis of differentially expressed genes(DEGs)

转录组分析发现BF vs WF比较组产生1549个DEGs（799上调/750下调），显著多于GF vs WF组的772个DEGs（402上调/370下调）。主成分分析显示不同处理样本明显分离（图2A），BF与GF处理差异小于各自与对照的差异。COG功能分类显示DEGs主要富集在碳水化合物转运代谢、细胞壁生物合成和信号转导等类别。

Transcription factor(TF) enrichment analysis

鉴定到27个TF家族，其中WRKY、NAC、bHLH、MIKC和MYB家族在各类处理中普遍下调（图3）。BF vs WF组包含129个差异表达TF（27家族），表明转录因子在光质响应中起核心调控作用。

Functional enrichment analysis

GO分析显示DEGs主要富集在"结合"（MF）、"细胞过程"（BP）和"膜组分"（CC）类别（图4）。KEGG分析显著富集于植物激素信号转导、MAPK信号通路和淀粉蔗糖代谢等路径（图5）。植物-病原互作和碳固定途径也显著富集，表明光质调控涉及多重生理过程。

Analysis of plant hormone signal transduction pathway

激素通路分析鉴定到94个DEGs编码26个酶（图6）。生长素通路中TIR1、ARF和GH3在BF/GF处理中均下调，AUX1、IAA和SAUR呈现双向调控。细胞分裂素通路CRE1下调而A-ARR上调。蓝光处理特异性上调CRY1、HY5和ARF8表达，同时下调GH3.1、Aux/IAA14和Aux/IAA16；绿光处理呈现相反调控模式。

qRT-PCR validation

通过qRT-PCR验证关键基因表达趋势（图7），证实CRY1(Pyun02G008950)、HY5(Pyun10G000570)和ARF8(Pyun06G00712)在BF中显著上调，在GF中下调；而Aux/IAA14(Pyun08G014880)、Aux/IAA16(Pyun05G004520)和GH3.1(Pyun09G009710)呈现相反表达模式，与RNA-seq数据高度一致。

研究结论表明，蓝光通过激活CRY1-HY5信号轴，抑制ARF8转录活性并下调Aux/IAA蛋白降解，从而调控生长素信号通路促进青杨高生长；绿光则通过相反机制抑制生长。该研究首次系统揭示了高海拔树种青杨响应光质的分子网络，阐明了光质-光受体-激素互作调控植物形态建成的新机制，为高海拔地区林木育种和栽培管理提供了理论依据和实践指导。研究发现的CRY1-ARF8调控模块为植物光形态建成研究提供了新视角，对理解植物高海拔适应机制具有重要科学价值。