油松种子休眠与萌发的动态基因调控网络解析及其在生态修复中的应用价值

本研究针对油松(Pinus tabuliformis)种子休眠与萌发的分子机制这一关键科学问题，通过Illumina转录组测序和WGCNA分析，系统鉴定了857个差异表达基因(DEGs)和4个核心基因模块。研究发现bZIP转录因子PtbZIP25通过调控ABA信号通路关键基因DOG1和CYP707A2的表达负向调控种子萌发，为针叶树种人工林培育提供了重要分子靶点。该成果发表于《BMC Plant Biology》，对北方生态修复工程具有重要指导意义。

　　

在北方广袤的森林生态系统中，油松作为抗旱耐寒的先锋树种，其种子萌发效率直接影响着人工林更新和荒漠化治理成效。然而，这种具有重要生态价值的针叶树种却面临着种子深休眠特性的困扰——在自然条件下，油松种子需要经历漫长的冷 stratification（冷层积）过程才能打破休眠，这严重制约了人工育苗的效率。更令人困惑的是，与模式植物拟南芥相比，针叶树种种子休眠的分子调控机制至今仍是未解之谜。

北京林业大学林木遗传育种国家重点实验室的研究团队通过多组学联用技术，首次绘制了油松种子从深度休眠到萌发的动态基因表达图谱。研究人员选取了三个关键发育阶段的种子样本：热激诱导的休眠种子(S1)、冷层积处理的非休眠种子(S2)和露白萌发种子(S3)，采用Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，结合加权基因共表达网络分析(WGCNA)等生物信息学方法，揭示了控制油松种子萌发的核心调控模块。

关键技术方法包括：1）设置37℃热激和4℃冷层积处理建立不同休眠状态种子模型；2）基于FPKM值的Spearman相关性分析验证数据可靠性；3）Mfuzz算法进行时序表达模式聚类；4）edgeR筛选差异表达基因(DEGs)；5）qRT-PCR验证关键基因表达；6）拟南芥转基因体系验证PtbZIP25功能。

时间序列mRNA群体捕获与分析

UMAP降维分析显示三个发育阶段的转录组呈现明显区隔，Spearman相关系数(r>0.9)证实数据可靠性。时序聚类识别出10个表达模块，其中模块1、2、4、7在非休眠期高表达，模块5和8在萌发期呈现拮抗表达模式，暗示其在休眠解除中的调控作用。

差异表达基因鉴定

共鉴定857个DEGs，GO分析显示这些基因显著富集于糖代谢和氨基酸代谢通路。KEGG分析揭示pentose（戊糖）和glucuronic acid（葡萄糖醛酸）互变、glycolysis（糖酵解）等代谢途径的激活是休眠解除的关键。

WGCNA模块与萌发关联

"blue"模块(r=0.82)包含153个与萌发正相关的基因，网络分析显示Pt4G12300(bZIP25)、Pt0G18620(GSTF10)等基因处于调控枢纽位置。qRT-PCR验证12个枢纽基因中，PtQG30540等5个基因在非休眠期特异性高表达，而Pt4G12300(bZIP25)在休眠期高表达。

PtbZIP25功能验证

亚细胞定位显示该转录因子定位于细胞核。过表达株系萌发率显著降低，且伴随ABA代谢基因DOG1上调和CYP707A2下调，证实其通过ABA信号通路抑制萌发。突变体则表现出萌发加速表型，与转基因结果相互印证。

这项研究首次系统解析了油松种子休眠的分子调控框架，发现bZIP转录因子通过ABA-GA（赤霉素）平衡调控针叶树种萌发的新机制。特别值得注意的是，与被子植物不同，油松的休眠调控网络显示出独特的模块化特征，这为针叶树特异性的种子处理技术开发提供了理论依据。研究建立的冷/热处理种子模型和鉴定的分子标记，可直接应用于北方地区油松育苗实践，对加速退化林地生态恢复具有重要意义。在气候变化背景下，该成果对理解针叶树种适应环境胁迫的进化策略也提供了新视角。