杨树性别决定基因FERR通过调控细胞分裂素信号通路直接影响树木生长

《Plant Biotechnology Journal》：Poplar Sex-Determining Gene Directly Affects Tree Growth Through Regulating Cytokinin Signalling Pathway

这篇研究揭示了杨树性别决定基因FERR通过负反馈调节细胞分裂素信号通路中的BRR13/21（Type-B RR），直接影响树木生长和形成层细胞增殖的分子机制。研究发现敲除FERR能显著促进雌株生长，而过表达则抑制雄株生长并破坏顶端优势。该研究为通过基因编辑培育无飞絮速生杨树提供了直接理论依据。

　　

性别二态性在雌雄异株植物中普遍存在，主要表现为生殖器官（初级性别特征）和营养性状（次级性别特征）的差异。虽然雌雄异株仅占被子植物的6%-7%，但这种现象在近半数被子植物科中独立进化多次。杨树作为典型的雌雄异株木本植物，其性别决定机制和生长差异一直备受关注。

性别与FERR对植物生长的影响

通过对320株8年生美洲黑杨F₁代群体的测量发现，雄株在树高（1765.79 cm vs. 1717.10 cm）和胸径（24.15 cm vs. 23.60 cm）上均显著优于雌株。转基因实验进一步证实，在雌株'南林895'中敲除FERR显著增加了株高和地径，差异随树龄增长而扩大：2022年7月株高差异为11.08 cm，到2023年5月扩大至32.44 cm；地径差异从0.08 cm扩大至0.38 cm。相反，在雄株'84K'中过表达FERR则抑制生长，株高差异从9.86 cm扩大至22.46 cm，地径差异达0.21 cm。值得注意的是，FERR过表达还导致顶端优势丧失，平均产生3.14个侧枝，而对照无分枝。

FERR负调控形成层细胞增殖

组织特异性表达分析显示，FERR启动子在拟南芥的维管组织和花芽中特异性激活。显微观察发现，'南林895'敲除系的形成层细胞层数（CCL）在4个节间均显著多于野生型，如第9节间为5.98层 vs. 3.85层。而'84K'过表达系的CCL则显著减少，如第12节间为5.81层 vs. 6.39层。这些结果证实FERR通过抑制形成层细胞增殖来限制径向生长。

FERR响应细胞分裂素信号

系统发育分析表明FERR属于Type-A RR，与拟南芥ARR16/17聚为一类。其N端接收（REC）结构域含有保守的D-D-K（Asp26-Asp70-Lys122）磷酸化位点。6-BA处理实验显示，FERR表达在1小时达到峰值，表明其响应细胞分裂素信号。同时研究发现Type-B RR家族成员BRR13/21（Pag.A12G000106）能激活FERR转录。亚细胞定位证实BRR13/21定位于细胞核，具有转录因子特征。

BRR13/21与FERR启动子的互作机制

酵母单杂交和双荧光素酶报告系统证实，BRR13/21特异性结合FERR启动子的5'-NGATT(T/C)-3'保守 motif。分子对接分析显示，BRR13/21的MYB样DNA结合域通过12个氢键与FERR启动子互作，对接得分-213.4。EMSA实验测定其与探针1和2的解离常数（K_d）分别为0.144 μM和0.105 μM。值得注意的是，FERR表达升高会负反馈抑制BRR13/21表达，形成调控环路。

关键磷酸化位点的功能验证

通过CRISPR/Cas9靶向编辑FERR基因的3个位点，获得5种突变类型，最大缺失158 bp，插入53 bp。其中靶点1成功破坏了保守的Asp70磷酸化受体位点。突变体对6-BA处理的响应能力丧失，证实该位点对细胞分裂素信号转导至关重要。

这项研究首次证实杨树性别决定基因FERR可直接调控营养生长，通过"BRR13/21→FERR→抑制BRR13/21"的负反馈环路调控细胞分裂素信号通路。该发现不仅解决了关于性别影响生长的长期争议，更为培育无飞絮速生杨树品种提供了精准的基因编辑靶点。通过敲除FERR基因，可同时实现性别转换和生长促进，具有重要的生态和经济价值。