杨树TEMPRANILLO同源基因过表达通过调控休眠释放关键通路促进低温诱导的生长恢复

本研究发现杨树TEMPRANILLO同源基因（TEML1/TEML2）在休眠调控中具有新功能：不同于拟南芥同源基因对FT的抑制作用，杨树TEML基因受短日照（SD）和低温诱导表达，其过表达通过激活生长恢复相关基因（如BRI1、VIN3、GRF7等）和染色质重塑通路，显著加速休眠释放进程，为温带树木应对气候变化提供了重要分子机制。

　　

3.1 季节性信号和昼夜节律钟调控TEML1和TEML2表达

研究发现杨树TEMPRANILLO同源基因TEML1和TEML2的表达受到光周期、低温和昼夜节律钟的多重调控。在长日照（LD）条件下，野生型植株中TEML基因表达呈现小幅峰值；而在短日照（SD）条件下，表达峰值增加两倍并转移至ZT8-9时段，与昼夜过渡期同步。lhy1/lhy2双突变体中的表达分析表明，LHY1和LHY2基因在LD条件下抑制TEML表达，在SD条件下则促进其表达。在恒定光照（LL）条件下，TEML1和TEML2仍保持约28小时的振荡周期，但其振幅减小，且在lhy1/lhy2背景下振荡减弱，表明这些基因的表达受到昼夜节律钟的调控。

低温处理显著诱导TEML基因表达，特别是在4°C低温条件下，夜间积累量明显增加。在顶芽中的表达分析进一步证实，SD加低温处理可诱导TEML1和TEML2的表达，暗示它们在休眠过程中可能发挥作用。

3.2 TEML1和TEML2过表达不抑制FT2且不影响季节性生长停滞

为探究TEML1和TEML2在年度生长-休眠周期中的作用，研究团队构建了杨树TEML1和TEML2过表达株系（TEML1ox3、TEML1ox4、TEML2ox6和TEML2ox11）。表型分析显示，这些过表达株系在SD条件下经历10周处理后，与野生型同时出现生长停滞和芽形成，表明TEML过表达并不影响季节性生长停滞的时间进程。

分子水平分析表明，过表达株系中生长停滞相关标记基因（包括FT2及其调控的GA2ox1和GA3ox2）的mRNA水平与野生型相比无显著差异。与拟南芥TEM基因直接抑制FT转录的作用不同，杨树TEML蛋白可能由于FT2启动子中缺乏串联排列的AP2和B3结合元件而无法有效抑制FT2表达，这揭示了杨树与拟南芥在FT调控机制上的进化差异。

3.3 TEML1和TEML2过表达加速休眠释放

在休眠阶段的研究中发现，经过3周不足低温处理后，TEML过表达株系在转移到LD条件后10天即出现芽突破，而野生型植株仍保持内生休眠状态。这表明TEML1和TEML2过表达能够促进休眠释放，使植株提前退出休眠阶段。由于过表达株系与野生型在生长停滞和芽形成方面表现相似，这种提前突破休眠的现象可能源于TEML基因在低温响应中的特异性功能。

3.4 TEML1和TEML2过表达主要影响休眠释放相关的转录组

通过RNAseq分析比较TEML过表达株系与野生型在芽形成期（SD8W）和内生休眠期（CH2W）的转录组差异，研究发现CH2W时间点有441个差异表达基因（DEG），而SD8W时间点仅有35个，表明TEML过表达主要在休眠阶段引起显著转录组变化。其中357个DEG是低温特异性响应基因，在过表达株系中呈现与野生型相反的表达模式。

启动子分析发现，约三分之一的DEG在其启动子区域含有AP2和B3结合域，且这些域之间的距离多在0-300bp之间，提示这些基因可能是TEML蛋白的直接下游靶标。

3.5 TEML过表达株系早期诱导生长再激活基因

GO富集分析显示，上调的212个基因与染色质重塑和组织、异染色质形成、DNA甲基化、基因表达调控等过程相关；另一个亚群与枝条发育激活相关；第三个亚群涉及细胞生长再激活的初级代谢过程；最后一个亚群连接发育与代谢过程。这些基因中超过90%在自然条件下从仲冬到仲春呈现特异性诱导表达，其中50%在春季特异性激活。

下调基因主要与次级代谢过程、蛋白质翻译和有机氮化合物生物合成相关，这些基因同样在冬季到春季呈现诱导表达模式，其在过表达株系中的下调可能减弱了对休眠退出的贡献。

3.6 低温诱导的TEML1和TEML2促进休眠退出

在357个上调基因中，研究人员发现了多个可能缩短休眠期的关键调控因子：杨树BRI1同源基因（拟南芥中过表达可消除种子萌发的冷层积需求）、VIN3同源基因（在拟南芥中可缩短春化时间）和GRF7同源基因（通过抑制ABA信号防止渗透胁迫下的生长抑制）。此外还发现了与芽突破相关的已知调控因子（PHYB、DEM）、赤霉素信号基因（GID1A、RGA1）、细胞分裂素响应调节因子ARR1同源基因以及一系列生长素响应基因。

这些基因的表达峰值跟随TEML1和TEML2的表达峰值，表明它们的激活可能依赖于TEML调控。研究数据表明TEML1和TEML2可能位于先前报道的DEMETER通路上游，并与EBB1协同促进杨树芽突破。

4 结论

杨树TEMPRANILLO同源基因的功能可能经历了新功能化进化。与拟南芥同源基因不同，杨树TEML1和TEML2过表达不抑制FT2转录，也不延迟季节性生长停滞。这些基因在冬季条件（短日照和低温）下被诱导表达，其过表达通过改变低温响应转录组而加速休眠释放。研究人员提出短日照和低温条件激活TEML1和TEML2，进而激活限制休眠持续时间和促进茎顶端分生组织营养发育的基因，这一发现为温带树木应对气候变化的适应性机制提供了新的分子见解。