超越休眠：器官特异性DAM/SVP基因调控网络调控桃树芽冬季发育的新范式

《Horticulture Research》：Beyond dormancy: organ-specific gene regulatory netw orks control winter development in peach buds

本研究针对温带果树芽休眠的传统认知局限，通过整合细胞学、激素分析、转录组测序及基因调控网络推断等技术，揭示了桃树营养芽与花芽在寒冷季节采用截然不同的MADS-box转录因子组合（DAM/SVP）协调环境依赖性发育的分子机制。研究证实营养芽通过激活茉莉酸和光周期响应模块维持发育活性，而花芽则依赖SVP1主导的低温响应模块，并通过BiFC实验验证了SVP1与DAM3/5/6的特异性互作。该发现突破了“休眠即发育停滞”的经典范式，为气候变暖背景下果树物候调控提供了新理论框架。

　　

随着气候变化扰乱季节性温度模式，理解芽发育的调控机制对于预测果树物候响应和保障生产力变得至关重要。在温带落叶果树中，芽休眠传统上被描述为一种由环境信号触发的发育停滞状态。然而，在蔷薇科果树（如桃树）中，这种简单的“休眠范式”面临着挑战。这些树种具有不同类型的芽（营养芽、花芽和混合芽），每种芽都有其特定的位置和发育动态。因此，休眠的程度和时机可能因芽的类型而有显著差异，使得统一的分类变得不充分。特别是在桃树（Prunus persica）中，侧生的花芽在冬季会缓慢持续发育，最终在萌芽前形成雄性和雌性配子体。而顶生的、负责枝条生长的营养芽，通常被认为保持休眠状态，但其在寒冷季节的实际发育状态却鲜为人知。一个核心的科学问题由此产生：在相同的环境条件下，营养芽是否真的进入休眠，还是遵循着一条不同的发育路径？

为了回答这个问题，研究人员在《Horticulture Research》上发表了题为“Beyond dormancy: organ-specific gene regulatory networks control winter development in peach buds”的研究论文。他们采用了一种综合性的研究策略，结合细胞学分析、激素分析、转录组测序、共表达网络和基因调控网络（GRN）推断，以及体内互作实验，系统地比较了桃树营养芽和花芽在寒冷季节（秋冬季）的发育过程。

本研究主要运用了以下关键技术方法：对桃树“Fantasia”品种的腋生营养芽和花芽进行时序采样（依据Utah模型计算 chilling unit, CU）；通过石蜡切片和 toluidine blue 染色进行营养芽的形态学观察；利用液相色谱等技术定量分析芽中的激素含量（包括ABA、GAs、JA、IAA、CKs）；对芽组织进行RNA测序并分析差异表达基因（DEGs）；利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘与环境因子（CU积累和日照长度LOD）相关的基因模块；通过GENIE3算法推断器官特异性的基因调控网络（GRN）；以及利用双分子荧光互补（BiFC）实验和蛋白质对接模拟验证SVP与DAM蛋白之间的物理互作。

Vegetative bud morphology

研究人员通过观察营养芽的纵向切片发现，在CU积累期间（例如在770 CU时），营养芽内部发生了分化和伸长，叶片数量增加，环形分生组织区域增多。这些形态学变化表明，桃树的营养芽在冬季并非处于完全的发育停滞状态，而是进行着活跃的形态发生。

Quantification of hormones

激素定量分析显示，在CU积累期间，营养芽和花芽中的脱落酸（ABA）和活性赤霉素（GA₄）水平以及ABA/GA₄平衡表现出相似的模式。然而，茉莉酸（JA）在营养芽中的积累在CU积累完成后显著增加。生长素（IAA）、GA₁和细胞分裂素（CKs）的变化则相对较小，暗示它们在CU积累期间的调控作用可能较弱。

Transcriptomes of the vegetative and flower buds during the period of CU accumulation

转录组分析揭示了营养芽和花芽之间显著的转录差异。尽管激素水平相似，但两者对寒冷季节的响应截然不同。主成分分析（PCA）聚焦于ABA、GA、JA通路以及分生组织相关基因，结果显示这些基因的表达模式在两种芽类型间存在清晰分离。例如，营养芽中富集了茉莉酸和光周期响应基因模块，而花芽则标记有由SVP1调控的低温响应模块。

DAM and SVP gene dynamics in flower and vegetative buds

对DORMANCY-ASSOCIATED MADS-box (DAM) 和 SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP) 基因的表达分析表明，除了DAM5和DAM6在两种芽中均持续高表达外，其他DAMs和SVP基因在营养芽和花芽中受到差异调控。在花芽中，SVP1 (Ppe6G199000) 的表达随CU积累快速下降，而在营养芽中其表达则相对稳定。新鉴定出的SVP2 (Ppe8G069300) 在花芽中表达量高且随CU积累下降，在营养芽中则呈现相反的趋势，表达上调。

Weighted Gene co-Expression Analysis of DEGs

WGCNA分析将差异表达基因聚类成不同的模块，并与环境因子（LOD和CU积累）进行关联。在营养芽中，模块V1与LOD正相关、与CU负相关，模块V2则相反，模块V3仅与LOD正相关。在花芽中，模块F1与LOD正相关、与CU负相关，模块F2与CU正相关。功能富集分析显示，两种芽的模块均涉及光合作用、信号转导和应激响应等活跃的转录程序，但花芽模块特别富集了与防御反应和核糖体结构相关的功能，暗示其高生物合成活性。

BiFC assay identifies interactions among SVP and DAM genes

双分子荧光互补（BiFC）实验证实，SVP1蛋白与DAM3、DAM5和DAM6蛋白在烟草叶片细胞核内存在特异的物理相互作用，而SVP1与其他候选调控因子（如PILS7, CIB8等）则未检测到相互作用。蛋白质对接模拟结果与BiFC实验结果基本一致，支持了SVP-DAM相互作用的特异性。

DAM/SVP gene regulatory networks in flower and vegetative buds

基因调控网络（GRN）分析进一步揭示了DAM/SVP转录因子在两种芽中的调控逻辑。尽管存在309个共享的靶基因，但其中超过85%的基因在营养芽和花芽中由不同的DAM/SVP组合调控。在营养芽中，调控主要由DAM5和DAM6同源二聚体主导；而在花芽中，DAM4与SVP1/2形成的异源二聚体更为普遍。GRN预测了一些关键靶点，例如在营养芽中，DAM5/6同源二聚体调控GASA1和GASA6等基因；在花芽中，DAM4同源二聚体或DAM-SVP异源二聚体则调控SEP1、SPL9和YAO等与花器官发育和配子发生相关的基因。此外，GRN还预测了表观遗传调控因子如CLF和EMF1作为DAM/SVP的潜在靶点，暗示了转录调控与表观遗传修饰在芽发育中的协同作用。

讨论与结论

本研究的结果修正了传统的休眠范式。研究表明，桃树的营养芽在冬季并非处于简单的发育停滞状态，而是与花芽一样，进行着缓慢但持续的发育。尽管两种芽共享相似的激素趋势（如ABA和GA₄），但它们通过部署不同的MADS-box转录因子组合（DAM和SVP）来协调环境依赖性的冬季发育。营养芽倾向于利用DAM5和DAM6同源二聚体，整合光周期和茉莉酸信号，维持其营养身份和发育灵活性；而花芽则更多地依赖DAM4与SVP1/2形成的异源二聚体，主导低温响应模块，协调花器官的分化和发育。

这项研究揭示的器官特异性DAM/SVP调控电路，为理解多年生植物如何根据不同器官的发育需求精细调控其季节性生长周期提供了新的框架。它不仅深化了我们对果树芽冬季生物学行为的认识，也为未来在气候变化背景下，通过分子育种手段调控果树物候、保障果树生产的稳定性和可持续性奠定了重要的理论基础。由于桃树遗传转化等技术尚不成熟，本研究采用的综合性分析策略为在该物种中探索复杂的调控机制提供了当前最全面的方案。未来的研究需要进一步验证这些预测的调控关系，并探索其他参与冷诱导芽发育的分子主调控因子。