改变一个基因 杨树不再“飘雪”

美洲黑杨Y染色体特异的DNA片段及决定性别发育的基因

杨树良种选育实验林南京林业大学杨树团队供图

杨树在全球广泛分布，是主要的造林用材树种之一。但是杨树飞絮为自身带来了不少“差评”，严重制约了杨树产业的发展。

通过克隆控制杨树雌蕊和雄蕊发育的基因是实现不飞絮、少花粉杨树品种培育的基础科学问题。近日，南京林业大学杨树团队在《自然—通讯》上发表研究论文，为培育不飞絮、少花粉的美洲黑杨新品种提供了原创性成果。

应用导向的基础研究

优质、速生、高产，干形通直，适应性强……我国杨树产业规模庞大，杨树种植面积超过1亿亩，占我国人工林面积的18%。

“杨树是雌雄异株植物。由于雌株生长表现优秀，我国以前选育和推广的杨树良种大多为雌株，在达到性成熟年龄后，每年春季会产生大量飞絮，严重时遮挡视线，带来交通和火灾隐患，也造成严重的污染环境，引发了越来越多的社会关注，解决它自然就提上日程了。”论文通讯作者、南京林业大学教授尹佟明介绍。

然而，树木选育的周期非常长，杨树从杂交育苗到开花大约需要六七年时间，选育过程还必须做大量的田间试验。比如杨树优良品种“南林895”就是经过近20年的研究，从美洲黑杨与欧美杨杂交后代群体中选育出来的。

尹佟明接受《中国科学报》采访时表示，“找到了性别决定基因，就可以在苗期鉴定它将来是否飞絮，进行性别的标记辅助早期选择。现在有了基因编辑技术，还可以对决定雌蕊发育的基因进行准确敲除，做到精准育种，在不改变和影响其他性状的情况下把飞絮问题解决掉。”

提高育种效率、缩短育种周期，在现代林木育种中具有十分重要的意义。那么，如何找到决定植物重要性状的基因呢？南京林业大学杨树团队进行了长期的科学探索。

找到特定基因

团队以美洲黑杨为研究材料，于2012年构建了大规模的遗传群体，对性别决基因在基因组中的位置进行了精细定位，发现美洲黑杨性别连锁区位于杨树19号染色体末端，并在性别决定区发现了Y染色体特异的DNA片段，证实美洲黑杨性别决定系统与人类一样，属XY性别决定系统。同时，利用自然群体进行的全基因组关联分析发现，与性别表型一致的差异序列均来自于Y染色体特异的片段。

这个片段含有两个基因，其中一个基因（FERR-R）是由在雌花中特异表达的基因FERR（该基因位于性别决定区外）复制形成，复制出的基因FERR-R丢失了部分序列，转录产生siRNA反过来攻击FERR基因，使FERR基因的启动子和第一外显子发生甲基化，并降解FERR转录序列，从而抑制FERR基因在雄性中表达。另一个Y染色体特异片段上的基因MSL可以产生长链非编码RNA。

遗传转化拟南芥实验显示，FERR基因的转基因株系出现了雌蕊增加的表型，但过表达该基因不影响雄蕊发育；而MSL基因的转基因株系由野生型的四强雄蕊转变为六强雄蕊，并出现了7~8枚雄蕊的表型，过表达该基因不影响雌蕊发育，MSL有促雄功能。

通过对雌、雄花芽发育过程进行显微切片观察发现，杨树虽然在春天开花，但雌花和雄花原基的形成是在上一年度的8月初。

美洲黑杨雌株只有FERR基因，所以雌花发育，而雄株虽然含有FERR基因，但该基因受到Y染色体特异的FERR-R基因抑制，所以在雄株花序中雌花不发育。基因动态表达研究显示，FERR基因的表达有很强的时空特异性，只在雌花原基分化的早期表达，而在其他组织器官和花原基分化后的发育过程中不表达，所以通过基因编缉技术可以敲除该基因，解决美洲黑杨雌株的飘絮问题；而针对MSL基因的编辑，可以减少花粉污染。

典型例证的意义

植物性别领域国际专家、英国皇家科学院院士Deborah Charlesworth对该项研究工作的原创性和学术价值给予了高度肯定，并就该研究对植物性别分化机制的理论问题，与团队进行了深入合作。

三月份开始飘柳絮，接下来五月中下旬开始飘杨絮，飞絮的困扰往往到七月份才结束。

团队成员、南京林业大学教授薛良交介绍，他们的研究还发现FERR基因、MSL基因同样也在杨属中另外一个亚属物种小叶杨的性别决定区域存在，说明这两个基因是杨树性别决定系统的稳定组分。柳树基因组中也在性别决定区发现了FERR基因的同源基因，因此，杨、柳飘絮可用同样的技术手段解决。

“杨树是用材树种，人们的需求是让它生产木材。开花是生殖生长，每年开花结实要消耗大量营养，势必影响杨树的营养生长。杨树在生产上是利用插条进行无性繁殖的，并不需要通过种子繁殖。利用种子繁殖，子代不能保持优良性状。只能无性繁殖才能保持个体的优良性状。当找到控制重要性状的基因后，可以通过基因编辑技术加速林木的良种培育，该研究提供了一个典型的例证。”尹佟明表示。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19559-2