《Plant-Environment Interactions》：MYB59 is Linked to Natural Variation of Water-Use Associated With Warmer Temperatures in Arabidopsis thaliana
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摘要翻译：水分利用对植物生长和生产力具有重要贡献，然而水分利用变异在多大程度上是适应性分化的结果尚不清楚。本研究探讨了拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）水分利用的自然变异，以理解气候历史如何影响水分利用策略。研究人员在受控和户外环境中对拟南
摘要翻译：水分利用对植物生长和生产力具有重要贡献，然而水分利用变异在多大程度上是适应性分化的结果尚不清楚。本研究探讨了拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）水分利用的自然变异，以理解气候历史如何影响水分利用策略。研究人员在受控和户外环境中对拟南芥生态型（ecotype）的 vegetative water use（VWU， vegetative water use）和 life-history traits（生活史性状）进行了调查。选定生态型在受控实验中的表现反映了其在户外条件下的表现。通过性状-气候关联分析和全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS），研究人员检验了水分利用中环境适应的信号。来自较温暖环境的生态型表现出增强的水分利用，且与降水无关。GWAS 鉴定出转录因子 MYB59 为 VWU 的决定因子。具有功能意义的 MYB59 单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）与温度相关，但与降水无关，且 *myb59* 突变体在高温下表现出降低的水分利用。研究表明，种内水分利用变异可部分由气候历史解释，其中温度是最重要的驱动因素。MYB59 似乎对该关联有贡献，并代表了未来作物研究的一个有前景的候选基因。
论文解读
**研究背景与问题**
土壤水分有效性是限制生态系统净初级生产力和作物产量的最基本约束。气候变化预计将改变降水的数量和时空分布，同时升高温度和蒸发需求，从而加剧自然和农业系统中植物-水分关系的限制。理解植物如何调节水分利用以及这种变异如何受气候历史塑造，对于预测物种对未来气候的响应以及培育适应非良性环境的作物至关重要。植物在水分损失与光合碳获取之间存在权衡，水分利用效率（water use efficiency，WUE）在自然系统中常与降水趋势相关。然而，蒸腾作用在温暖环境中对于叶片冷却和稳定光合作用至关重要，其程度取决于水分可用性。拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）作为模式物种，其自然变异已被广泛用于解析水分利用和WUE的生理和遗传机制，但现有研究多集中于δ13C等整合指标，对全株水分利用（vegetative water use，VWU）的自然变异及其与气候历史的关联知之甚少。此外，先前研究多关注干旱适应或WUE，而水分利用本身可能独立于生活史性状，其遗传基础和气候驱动因素尚未明确。因此，本研究旨在通过详细生理表征多样化自然变异群体，探索气候历史如何对拟南芥水分利用施加选择压力，并鉴定相关基因。
**研究内容与结论**
研究人员选取了来自全球分布的78个拟南芥生态型（来自RegMap群体），在受控生长环境中进行了为期两年的实验，测定了VWU、开花时间、生物量积累等性状。同时，选取6个代表性生态型在户外共同花园环境中种植，以验证受控条件下的表型是否反映自然环境表现。通过性状-气候主成分分析（PCA）和全基因组关联分析（GWAS），研究人员发现温度而非降水是驱动VWU自然变异的主要气候因素，并鉴定出转录因子MYB59（AT5G59780）为VWU的候选基因。利用两个独立的*myb59*敲除突变体（*myb59-1*和*myb59-2*）在22°C和27°C条件下进行表型分析，发现突变体在高温下VWU显著降低，同时叶片水势降低，根系长度增加，气孔密度减少。这些结果支持MYB59通过影响根和叶片性状参与温度相关的水分利用调节。该研究首次揭示了MYB59作为温度响应型水分利用调节因子，为作物改良提供了潜在靶点。论文发表在《*Plant-Environment Interactions*》。
**主要技术方法**
本研究采用的主要技术方法包括：基于短期控水实验测定VWU（通过线性模型拟合相对土壤含水量随时间下降的斜率）；利用全基因组关联分析（GWAS）结合加速混合模型（AMM）鉴定显著SNP；通过判别主成分分析（DAPC）对生态型进行遗传聚类；利用Polymorph数据库和1001基因组计划数据，分析MYB59基因内功能性SNP与气候参数（BIOCLIM）的关联；使用CRISPR/Cas9和T-DNA插入突变体进行功能验证；通过红外热成像、水势仪、气孔密度和根长测定等生理实验解析表型。样本来源包括RegMap群体（78个生态型）和1001基因组计划。
**研究结果**
**3.1 营养期水分利用、物候和生物量积累的广泛自然变异**
对78个生态型进行短期干旱实验，VWU表现出2.5倍变异，广义遗传力（H2）中等，表明存在遗传成分。VWU与开花时间、生物量等性状无显著相关，表明水分利用独立于生活史和大小。但VWU与莲座面积正相关（在另一组48个生态型中验证）。开花时间与生殖生物量负相关，体现了生殖-营养生长的权衡。
**3.2 受控环境与户外环境生活史性状的比较**
6个生态型在受控和户外环境中的生物量积累和δ13C呈正相关，验证了受控环境表型可反映自然环境表现，支持第一项假设。
**3.3 气候变异与表型变异的关联**
性状PCA中，TPC2主要代表水分利用相关性状，与气候PC1（温度相关）呈正相关，表明来自温暖环境且温度季节性低的生态型具有更高VWU。DAPC遗传聚类显示，不同遗传组的VWU和年平均温度存在显著差异，进一步支持温度塑造水分利用变异。
**3.4 MYB59作为营养期水分利用候选基因的鉴定**
GWAS在5号染色体24,088,050和24,088,195处发现两个显著SNP，其LD块内唯一基因为MYB59。MYB59的两个主要单倍型在VWU上存在显著差异，但在莲座生物量和开花时间上无差异。单倍型分组在年平均温度、最暖月最高温度和最暖季度平均温度上显著不同，而降水参数无差异。Polymorph数据库中5个功能性SNP（MAF>5%）的等位基因频率与温度变量显著关联，但与降水和经纬度无关。
**3.5 MYB59通过改变根长和气孔密度影响高温下的水分利用**
在22°C和27°C下，*myb59*敲除突变体在27°C时VWU显著低于野生型，而在22°C无差异。突变体叶片水势在高温下降低，气孔密度在两个温度下均显著减少，但VWU仅在高温下降低，表明气孔密度差异不足以解释VWU变化。突变体在高温下根长增加，根生物量和根冠比也改变，提示根形态变化可能影响水分吸收。
**讨论与结论**
研究表明，温度是塑造拟南芥水分利用自然变异的主要气候选择因子，而非降水。MYB59作为转录因子，其功能变异与温度相关，可能通过调节根生长和气孔发育影响水分利用和蒸腾冷却。*myb59*突变体在高温下表现出降低的水分利用和叶水势，同时根长增加，这看似矛盾，但可能反映了植物在高温下平衡水分吸收与蒸腾需求的复杂机制。MYB59还参与钾离子（K+）和硝酸盐（NO3-）转运调控，K+在液泡中积累可调节水势，因此MYB59可能通过影响离子平衡间接作用于水分利用。结论部分指出，MYB59对温暖环境适应的贡献可能通过其对水分利用和蒸腾冷却相关性状的微调实现，其等位基因在温度相关生物气候参数上呈现差异分布，而降水参数无此效应，进一步支持温度驱动的选择。该研究为作物耐热节水育种提供了新靶点。
