光敏色素B与PIF4调控寒冷环境下树木季节性生长的分子机制解析

本研究针对高纬度/高海拔地区树木如何适应寒冷环境这一关键科学问题，通过分子遗传学手段揭示了PHYB(光敏色素B)-PIF4(光色素相互作用因子4)模块通过调控FT2(开花位点T2)基因表达，在长日照条件下维持低温环境中的持续生长。研究发现PHYB通过增强与PIF4的互作促进其降解，从而解除PIF4对FT2的转录抑制，这一机制不同于一年生模式植物拟南芥中PIF4激活FT的调控模式，为多年生木本植物的季节性生长适应提供了新见解。

　　

在自然界中，树木面临着严酷的季节性气候变化，尤其是生长在高纬度或高海拔地区的树种，必须精确调控生长节律以适应寒冷环境。当冬季来临，树木会停止生长并形成保护性的冬芽，这一过程的时机选择对生存至关重要。虽然已知短日照是触发生长停滞的主要信号，但温度变化如何影响这一过程仍是个谜团。最新发表在《Nature Communications》的研究揭开了这一分子机制的面纱，发现光敏色素PHYB和其互作因子PIF4如同精密的温度计和计时器，共同协调着树木对光周期与温度的双重响应。

为解析这一机制，研究团队采用了多组学技术路线：通过RNA干扰(RNAi)和过表达技术构建了PHYB/PIF4遗传修饰的欧洲山杨(Populus tremula)株系；利用酵母单杂交和CUT&Tag染色质分析技术鉴定转录因子结合位点；结合温度梯度实验(15℃ vs 21℃)和嫁接实验验证基因功能；采用蛋白质免疫印迹和免疫共沉淀技术分析PHYB-PIF4蛋白互作动态。所有植物材料均来自瑞典于默奥植物科学中心的标准化培养体系。

PHYB是低温下维持营养生长的必需因子

研究发现PHYB敲降株系在15℃长日照条件下会异常地停止生长并形成顶芽，而野生型植株持续生长。这种表型伴随FT2基因表达的显著下调，表明PHYB通过正调控FT2维持低温下的持续生长。PHYB过表达株系在21℃短日照条件下表现出延迟的生长停滞，但在15℃时这种效应消失，提示温度通过影响PHYB活性来调控季节性生长。

PIF4特异性响应低温抑制生长

通过构建PIF4遗传修饰株系，发现PIF4在低温下特异性抑制FT2表达。引人注目的是，PIF4过表达植株甚至在组织培养条件下就形成顶芽，这与PHYB双敲除株系的表型相似。酵母单杂交和CUT&Tag实验证实PIF4能直接结合FT2基因间区的E-box顺式元件，这种结合在低温下增强，导致FT2转录抑制。

低温通过增强PHYB-PIF4互作促进PIF4降解

蛋白质分析显示15℃条件下PHYB2-GFP蛋白积累增加，而PIF4a-YFP蛋白水平显著降低。免疫共沉淀实验证实低温增强了PHYB-PIF4的物理互作，TUBE实验进一步表明这种互作促进了PIF4的多聚泛素化降解。这种温度依赖的蛋白稳定性调控解释了为何低温能缓解PIF4介导的生长抑制。

分子机制的进化特异性

该研究揭示了木本植物与一年生植物在温度响应机制上的重要差异：在拟南芥中PIF4激活FT促进开花，而在杨树中PIF4抑制FT2导致生长停滞；低温在拟南芥中抑制PIF4结合活性但不影响其蛋白稳定性，而在杨树中则显著促进PIF4降解。这种分化反映了多年生木本植物对季节性环境适应的独特进化策略。

这项研究首次阐明了PHYB-PIF4-FT2模块在树木温度响应中的核心作用，解决了"树木如何避免在夏季低温下过早停止生长"这一长期悬而未决的问题。发现不仅为理解树木气候适应性提供了分子框架，也为林木育种提供了潜在靶点——通过调控PHYB-PIF4平衡可能培育出更适应气候变化的新品种。该机制与农作物研究中的发现形成鲜明对比，凸显了多年生植物环境适应策略的特殊性，为植物环境响应的进化研究开辟了新视角。