环境温度调控面包小麦发育、生物钟及光受体基因共表达网络的研究意义

本研究针对环境温度如何影响面包小麦(VRN1、VRN2、VRN3、PPD1)关键发育基因与生物钟(CCA1、PRR95、TOC1、LUX、ELF3、GI、CO1)及光受体(PHYA、PHYB、PHYC、CRY1、CRY2)基因的共表达网络展开。通过三种冬小麦品种在18°C/25°C下的基因表达分析，发现VRN1-VRN3的正向关联具有温度独立性，而VRN2在春化后仍保持昼夜节律活性。研究揭示了环境温度通过调控基因互作网络影响小麦发育可塑性，为应对气候变化的小麦育种提供新见解。

　　

在温带谷物作物中，小麦的发育过程受到环境因素的精密调控，尤其是春化作用（vernalization）和光周期（photoperiod）两大关键途径。然而，环境温度作为仅次于光周期的第二重要因素，其对小麦发育的分子调控机制仍不明确。与拟南芥不同，小麦的生殖发育分为两个阶段——从双脊期到终穗形成的生殖发育阶段，以及随后的茎秆快速伸长阶段。这两个阶段对环境刺激的响应存在显著差异，其中环境温度对茎秆伸长期的分子遗传调控尤为突出。这种复杂性使得解析温度如何通过生物钟（circadian clock）和光受体（photoreceptor）基因网络影响小麦发育成为亟待解决的难题。

为此，匈牙利农业研究中心（HUN-REN Centre for Agricultural Research）的Tibor Kiss团队在《Scientific Reports》发表研究，选取三个具有不同遗传背景的冬小麦品种（'Mv Toborzo'、'Tommi'和'Charger'），通过人工气候室控制实验（18°C春化/未春化及25°C春化），利用qRT-PCR技术分析了16个关键基因的昼夜表达模式，并结合相关性网络分析揭示了温度依赖的基因互作规律。

研究主要采用以下技术方法：（1）使用通用引物定量检测三套基因组（A、B、D）的基因表达；（2）通过KASP标记和拷贝数变异分析确定基因型特征；（3）在16小时长日照条件下设置不同温度处理；（4）基于几何平均数法（GAHKG）用三个看家基因（Actin、β-tubulin和Ta30797）标准化表达数据；（5）采用qgraph和PCA分析构建基因共表达网络。

环境温度对发育基因表达的影响
研究发现VRN1和VRN3的表达受春化作用显著诱导，且表达量与品种早熟性正相关。在早熟品种'Mv Toborzo'中，VRN1在18°C春化时表达峰出现在ZT4（光照开始后4小时），而在25°C时延迟至ZT13。VRN2作为开花抑制因子，在未春化植株中呈现双峰表达（ZT1-4和ZT13-16），而春化后其表达水平与品种晚熟性正相关。值得注意的是，PPD1在18°C春化时的表达量最高，且与早熟性呈负相关，这一现象在光周期敏感基因型中尤为显著。

生物钟基因网络的温度响应
核心生物钟基因CCA1、TOC1和LUX构成稳定的温度不敏感网络：CCA1在清晨表达峰值与TOC1（傍晚峰值）呈显著负相关，而TOC1与LUX（夜间表达）则保持正相关。温度升高至25°C导致GI（GIGANTEA）表达量下降3-5倍，而PRR95在18°C时表达增强。特别的是，光周期不敏感品种'Mv Toborzo'的ELF3呈现独特的夜间单峰表达，而敏感品种则表现为多峰模式。

光受体基因的环境特异性调控
PHYA和PHYB在18°C春化时的表达量比25°C高近10倍，其中'Mv Toborzo'的峰值出现在ZT22（夜间），而敏感品种则表现为多峰模式。PHYC与ELF3在所有处理中均保持强正相关，暗示光信号与生物钟的紧密耦合。

基因互作网络的重编程
相关性分析揭示了三类核心关联：（1）VRN1-VRN3的正向关联在所有处理中稳定存在；（2）CCA1-TOC1-LUX构成的生物钟核心反馈环；（3）PHYC-ELF3的光温整合模块。温度升高至25°C会削弱PHYA-PHYB-PHYC与PPD1的关联，但增强CO1与CRY1的协同作用。

该研究首次在六倍体小麦全基因组背景下揭示了环境温度通过重构基因共表达网络调控发育的分子机制。VRN1-VRN3的稳定关联和VRN2的持续活性表明，春化途径与光周期途径存在温度依赖的交叉调控。生物钟基因网络的温度不敏感性可能为小麦适应昼夜温差提供分子基础。更重要的是，PHYA/B对环境温度的强烈响应暗示其可能在小麦中兼具光受体和温度传感器的双重功能。这些发现不仅完善了谷物发育调控的理论模型，更为培育适应气候变化的小麦品种提供了关键靶点——通过操纵PHYC-ELF3模块或稳定GI表达，有望培育出对温度波动不敏感的优良品种。研究采用的"全基因组背景+环境梯度"策略，为解析复杂多倍体作物的基因型-环境互作提供了新范式。