《Plant Biotechnology Reports》：Genomic architecture and molecular regulation underlying heat-induced bolting in lettuce
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高温条件下的早抽薹是莴苣生产面临的主要制约因素，因为它缩短了营养收获期并降低了叶片品质。抽薹、花转变和开花是紧密相关但可区分的过程，受重叠的遗传和环境因素调控。近年来莴苣基因组组装、超级泛基因组、群体资源、多组学分析和基因组编辑方面的进展，使研究人员能够对这一
高温条件下的早抽薹是莴苣生产面临的主要制约因素，因为它缩短了营养收获期并降低了叶片品质。抽薹、花转变和开花是紧密相关但可区分的过程，受重叠的遗传和环境因素调控。近年来莴苣基因组组装、超级泛基因组、群体资源、多组学分析和基因组编辑方面的进展，使研究人员能够对这一复杂性状进行更加整合的理解。本综述总结了与生殖时序相关的基因组架构和自然变异、温度与光周期及胁迫响应途径的整合，以及支持花序茎伸长的激素和代谢变化。特别关注了光敏色素相关变异、热响应转录因子、LsSOC1、生长素和赤霉素信号转导以及碳水化合物重塑。研究人员进一步讨论了这些发现如何为基因组编辑、标记辅助选择和基因组选择以及栽培策略提供依据。总之，当前证据表明，热诱导抽薹源自环境信号整合、生殖决定和激素依赖性茎生长的协同作用，而非单一线性热感觉通路。
**抽薹的基因组架构与自然变异**
**参考基因组、超级泛基因组与古多倍化**
栽培莴苣参考基因组的测序将约2.5 Gb的基因组解析为9条染色体假分子，并揭示其基因组以长末端重复反转录转座子（LTR-RT）为主导。更近期的长读长和无间隙组装解决了着丝粒、核糖体DNA及端粒序列等先前难以表征的区域。超级泛基因组进一步揭示了莴苣属内广泛的结构变异和表观遗传多样性。基因组大小在不同野生种间差异显著，其中L. saligna基因组约2.1 Gb，而L. indica因Copia反转录转座子爆发扩展至约5.5 Gb，并伴随CHH型DNA甲基化水平降低及CHROMOMETHYLASE 2（CMT2）同源基因表达下调。此外，菊科祖先经历了一次约40至45百万年前的古老全基因组三倍化事件，约26%的莴苣基因组保留在三倍化区域中，且保留的重复基因富集了WRKY、APETALA2（AP2）、MADS-box和TCP等发育调控因子。这种偏向性保留为生殖时序的多样化提供了遗传素材，也使得通过调整基因剂量来优化抽薹性状成为可能。
**驯化历史与群体资源**
对445份莴苣种质的全基因组重测序表明，栽培莴苣起源于高加索地区附近的野生近缘种L. serriola的单一驯化事件。驯化过程中经历了核苷酸多样性的显著下降，并在染色体6、5和3上分别检测到与种子落粒性降低、防御性刺毛丢失以及叶片形态改变相关的选择信号。野生近缘种的大片段渐渗区域常与主要抗性簇（MRCs）重叠，例如抗霜霉病基因Dm7。多亲本高代互交（MAGIC）群体由16个代表性创始系构建，提高了重组率并降低了群体结构对关联分析的干扰，为解析抽薹、开花、株高和叶片数等复杂性状的遗传基础提供了高分辨率平台。
**抽薹与环境响应性的遗传变异**
大规模全基因组关联分析（GWAS）在7号染色体上鉴定到一个影响抽薹、开花和茎伸长的重要信号区域，其中PHYTOCHROME C（PHYC）基因被确定为生殖时序变异的强候选基因。此外，Red Lettuce Leaves 2（RLL2）与花青素合酶（ANS）之间的上位互作控制花青素生物合成。自然发生的LsPHYB和LsPHYC功能缺失变异与延迟抽薹和开花相关，靶向突变实验进一步验证了这些位点的贡献。这些结果表明，群体水平的自然变异能够揭示调控环境响应性和生殖时序的遗传节点。
**环境信号整合与转录调控**
**温度、光周期与光敏色素信号的整合**
拟南芥中的研究确立了昼夜节律和光信号汇聚于CONSTANS（CO）-FLOWERING LOCUS T（FT）通路的保守框架。在莴苣中，遗传定位将qFLT4.1与日长非依赖的开花时间关联，qPPS2.1则主要控制光周期敏感性。连锁群7上鉴定到包含抽薹天数、开花天数、株高和叶片数等多个性状的QTL热点。光敏色素不仅作为红光和远红光受体调定昼夜节律，其自然变异还改变了莴苣对温度和光周期的响应强度，使特定基因型表现出更长的营养生长持续期。
**热响应调控因子对花基因的直接激活**
高温条件下，莴苣迅速积累热激转录因子（HSFs）。LsHsfA1e和LsHsfA4c能够直接结合LsSOC1启动子中分别位于起始密码子上游1586 bp和319 bp处的热激元件HSE1和HSE2，从而直接激活这一关键花整合因子的转录。另一热响应因子LsHSFB2A-1结合LsMADS55的启动子，LsMADS55是与茎端分生组织（SAM）生殖发育相关的APETALA1同源基因。与之相对，高温诱导的分子伴侣LsHsp70-3701和LsHsp70-2711与钙调蛋白互作，病毒诱导的基因沉默加速了热处理下的茎伸长，表明HSP70家族蛋白参与抽薹抗性。热激蛋白与热激转录因子共同构成双向调控网络，既可促进生殖转变，也可维持营养稳定性。
**LsSOC1的时空动态**
利用激光显微切割结合RNA测序（LCM-seq）对抽薹敏感型品系S39的SAM进行分析，发现LsSOC1转录本丰度在SAM进入生殖发育时逐步升高，是花转变的高度特异性空间标志。原位杂交在花序分生组织的花原基中检测到强信号，而下游调控因子LsAGL24和LsLFY在更晚阶段才显著表达。高温上调LsSOC1表达，而基因沉默和靶向编辑则延迟抽薹。LsSOC1蛋白能够与其他MADS-box转录因子形成复合二聚体及多聚体，从而强化花分生组织属性。对LsSOC1的破坏可显著延迟抽薹并降低对诱导性高温的响应性。
**基因组、表观与转录后缓冲机制**
超级泛基因组分析发现FLC-like抑制因子存在拷贝数变异（CNV）：野生L. serriola通常携带3个拷贝，而现代栽培叶用莴苣具有5至8个拷贝，这一扩增与延迟开花相关。人工诱导的同源四倍体莴苣表现出广泛的DNA甲基化改变以及抽薹、花芽形成和种子生产的延迟，差异甲基化区域（DMRs）邻近发育和环境响应相关基因。此外，长链非编码RNA（lncRNAs）被预测通过顺式和反式机制调控光周期、昼夜节律和激素相关通路，部分lncRNAs还作为内源靶标模拟物（eTMs）充当microRNA的分子诱饵，减弱其对靶基因的抑制。
**抽薹的激素与代谢协调**
**生长素信号作为热诱导抽薹的上游调控因子**
耐热性差异品系比较显示，热敏感品系S39较耐热品系S24具有更高的吲哚乙酸（IAA）浓度、叶片扩展速率和可溶性糖含量。高温处理下，茎尖IAA水平升高，同时莴苣AUXIN RESPONSE FACTOR 3（LsARF3）表达上调。LsARF3直接结合莴苣CONSTANS（LsCO）启动子并激活其转录，LsCO进而诱导LsFT和LsSOC1的表达，从而将生长素响应与光周期开花网络连接起来。生长素因此充当整合生长状态和高温信号的上游调控节点。
**赤霉素动态与DELLA介导的抑制性检查点**
赤霉素（GA）是莴苣抽薹期间节间伸长的主要驱动力。高温上调GA生物合成基因LsGA3OX1的表达，外源GA处理能够促进敏感型和抗性型品系的抽薹。DELLA家族抑制因子LsRGL1负调控抽薹，其过表达延迟抽薹，表达降低则加速转变。转录因子LsWRKY70通过抑制下游脱落酸（ABA）相关胁迫基因并促进GA介导的节间扩张，打破ABA介导的营养生长阻滞。OVATE家族蛋白LsOFP6参与多个蛋白质模块：一方面与CONSTANS-LIKE 3（LsCOL3）互作并拮抗其对花诱导因子LsTSF1的抑制；另一方面与BEL1-LIKE HOMEODOMAIN 2（LsBLH2）、KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX 1（LsKN1）及LsKNAT3互作，将蛋白质互作网络与GA生物合成和代谢联系起来。
**碳水化合物重塑与蛋白质磷酸化**
基于iTRAQ的磷酸化蛋白质组学比较了高温（33/25°C，昼/夜）与对照（20/13°C，昼/夜）条件下莴苣的蛋白质磷酸化变化，鉴定到与淀粉和可溶性糖含量相关蛋白的广泛磷酸化改变，以及海藻糖-6-磷酸合酶（TPS）等酶的变化。可动员的糖类既是生长底物，也作为细胞能量状态的信号。在拟南芥中，葡萄糖在光存在下激活TARGET OF RAPAMYCIN（TOR）信号并促进分生组织细胞增殖，而SUCROSE NON-FERMENTING1-RELATED PROTEIN KINASE1（SnRK1）在能量限制条件下被激活并促进能量保存。莴苣中TOR-SnRK1-MAPK-CK2级联关系尚需更直接的生化证据，但碳水化合物重塑已被确认为高温诱导抽薹的协调性特征。
**耐热性的转化前景**
**抽薹调控因子的基因组编辑与诱变**
将无DNA的CRISPR/Cas9核糖核蛋白（RNP）复合物递送进入栽培品种Cheongchima的原生质体，在LsSOC1外显子1中产生了1 bp的插入，获得了对高温响应性降低的晚抽薹植株。CRISPR/Cas9靶向LsBLH2同样延迟抽薹并改变了GA生物合成与代谢。考虑到中心整合因子可能具有多效性，未来应用应优先考虑启动子编辑、等位基因替换或部分降低基因活性。传统的甲基磺酸乙酯（EMS）诱变所获得的矮化突变体dwf1-4证明了GA在茎伸长中的重要作用，而TILLING技术可从化学诱变群体中回收靶向点突变。
**基因组选择与预测模型**
由288份材料构成的群体中，基于GWAS开发的紧凑标记面板对累积温度抽薹和开花时间的交叉验证预测决定系数最高分别达0.41和0.32。标准线性模型提供稳定的基线，而机器学习方法在训练群体足够大时可捕捉非加性互作关系。预测性能在不同莴苣形态类型和温光环境间的转移性是当前的主要限制。
**精细化与整合改良策略**
启动子编辑有望降低LsSOC1、LsARF3或GA相关基因的热诱导性而不消除其基础功能。组织或时期特异性调控可将花转变的调控与茎伸长的调控加以区分。分子育种应与温度管理、光周期和光质调控、播期安排以及经严格验证的生长调节剂或生物刺激素等栽培策略相结合。
**讨论**
热诱导抽薹源于基因组架构、环境信号转导、生殖决定、激素平衡与代谢重塑的多层次整合。未来研究的优先方向包括：标准化抽薹表型鉴定、在不同莴苣形态型和田间环境中验证候选等位基因、明确区分花转变与花序茎伸长，以及将基因组预测与启动子或等位基因层面的编辑相结合。通过顺式调控区的靶向修饰来调节转录水平，有望在维持基本株型适应性的同时实现抽薹耐热性的精细改良。
