复旦大学生命科学学院李霖锋团队揭示五加科植物在不同光环境下的表型和转录特征

以下文章来源于植物分类学报JSE ，作者牛玉倩 等

植物在适应不同生境的过程中，会进化出相应的适应性表型性状。在众多生境因子中，光既可以作为植物生长的能量来源，也是调控植物生长发育的重要信号，因而成为影响植物生长发育的最重要因子之一。在开放生境中(open habitat)，阳生植物可以接收正常光照，以调节自身的发育和生理活动。而在遮荫条件下，当阳生植物感知遮荫信号（即低红光/远红光比）时，会产生避荫反应，如快速延长茎和茎柄、减少分支和加速开花等，以躲避低光。相对而言，阴生植物则进化出耐荫表型，以在长期遮荫条件下正常完成生活史。五加科植物中既有阳生的木本物种，也存在耐荫的木本和草本物种，成为探究植物适应阳生和阴生不同生境进化机制的理想材料。

近日，Journal of Systematics and Evolution (JSE) 在线发表了复旦大学生命科学学院李霖锋教授团队题为“Phenotypic and transcriptional features of Araliaceae species under distinct light environments”的研究论文（https://doi.org/10.1111/jse.13043）。研究通过对五加科物种在不同光条件下的转录组进行表达分析，发现在不同光照条件下，与光形态生成相关的候选基因（次生代谢物）受到差异调控，类似的基因调控网络可能参与了阳生和阴生五加科物种的不同适应，揭示了木本物种如何进化出高度不同的策略来应对变化的光环境。

为了解析五加科物种应答不同光照条件的表型与基因表达模式差异，研究人员测定了自然生境中不同光条件（强光、光下、遮荫、光斑和深度遮荫）下八角金盘的表型和转录组数据。此外，为了降低自然生境中的多因素干扰，进一步在温室条件下对五加科4种阴生植物（八角金盘、梁王茶、鹅掌藤、穗序鹅掌柴）和1种阳生植物（通脱木）进行了低光和高光处理，以评估阳生和阴生五加科物种的表型和转录组特征。

研究发现，阳生和阴生物种的光饱和点、暗呼吸速率和光补偿点均存在明显差异，且不同光照条件下处理的成熟叶片叶绿素含量也存在差异，新生叶片则无显著变化。此外，研究人员对叶绿素荧光参数的测量结果显示，五加科4种阴生植物在不同光照条件下，有相似的PS II最大量子产量（Fv/Fm）值。而在低光照条件下，阳生植物通脱木的Fv/Fm值显著降低。这些特性表明，五加科阴生植物已经进化出了有利的表型来应对低光照环境。

同时，研究人员还系统分析了五加科5种木本植物的转录组特征，结果表明在不同光环境条件下其整体表达模式存在差异。特别是，差异表达基因与植物光合作用、次生代谢产物和基本代谢有关。基于基因表达分析结果，研究人员提出了基因调控模型（图1）：在光合作用通路中，与电子传递链和PSII复合体相关的部分基因在所有物种中都发生差异表达。与此类似，在光形态建成通路中，光受体及其下游调控基因也在5个物种应答不同光条件中起到重要作用。

图1. 五加科物种光合作用的转录模型和光形态建成调控网络

图(A)展示了光合作用通路中主要基因，图(B)展示了参与光形态建成调控通路的主要基因。黑色标记基因为关键基因，蓝色代表该基因在其中一个五加科物种中差异表达，红色代表在多个物种中差异表达。

研究结果进一步支持了碳增益假说，即阴生植物物种进化出了适应度表型（PS II的最大量子产量、低光饱和点和暗呼吸速率）来应对遮荫生境中的低光照环境。同样，通过对形态和生理性状（即叶绿素含量和叶片解剖结构）的比较分析，也证实了表型可塑性假说，即阴生植物在不同光照条件下表现出较低程度的表型可塑性，且不耐荫物种倾向于分配更多的资源来提高表型可塑性。

复旦大学博士研究生牛玉倩为第一作者，李霖锋教授为通讯作者。复旦大学博士生张雨欣，杨继教授、王玉国教授、张文驹教授和宋志平教授，华南植物园博士后王新风，美国史密森自然历史博物馆文军教授，吉林农业大学王真慧副教授共同参与了研究工作。研究得到国家自然科学基金面上项目(31970235)的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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