来源：市场资讯
（来源：小麦研究联盟）
研究背景
植物开花时间的精准调控对禾本科作物的农业产量具有决定性影响。对于生长在寒冷冬季地区的冬性大麦和小麦而言，它们必须经历一段长期的持续低温（即“春化作用”）才能在春季开花，这一机制有效避免了脆弱的生殖器官遭受霜冻损伤。在大麦中，春化需求主要由三个核心基因控制：诱导开花的MADS-box转录因子HvVRN1、充当开花阻遏物的HvVRN2（包含两个串联重复的ZCCT结构域基因HvVRN2a和HvVRN2b）以及类似于拟南芥成花素基因FT的HvVRN3。在长日照条件下，HvVRN2在叶片中表达并抑制HvVRN3；而在春化之后，HvVRN1被激活进而抑制HvVRN2的表达，从而解除对开花的限制。尽管HvVRN2的存在与否对开花的宏观影响已广为人知，但这两个串联基因在转录组层面的精确动态表达模式，以及它们在开花/春化核心通路之外所调控的庞大基因网络，目前仍是一个未解之谜。
论文概要
西班牙高等科学研究理事会（EEAD-CSIC）的Ernesto Igartua团队在New Phytologist发表题为“Vernalization regulatory network identifies potential novel functions for genes in the HvVRN2 locus”的论文，揭示了大麦HvVRN2位点内两个ZCCT基因在表达动态和功能上的显著差异，构建了包含新候选基因的春化调控网络，并证实了该基因位点在调控分蘖及蛋白复合物竞争结合机制中的全新生物学作用。
春化处理与HvVRN2对大麦转录组的整体影响；为了深入探究春化作用如何通过HvVRN2影响基因表达，研究团队使用了两系存在/缺失HvVRN2的近等基因系（NILs）：包含HvVRN2的冬性大麦C01和缺失HvVRN2的春性大麦C03。对这两系材料进行了不同时间梯度（0、7、15、30、60天）的春化处理，随后在长日照条件下进行取样和RNA测序（图1）。主成分分析（PCA）表明，长日照条件下的植物生长发育时间比春化处理本身更能解释转录组的总体变异。差异表达基因（DEG）分析显示，在C01中特异性鉴定出了769个受春化影响的DEG，其中成花素基因HvFT1是最显著的差异基因。进一步分析表明，这769个基因可分为“早期响应”和“延迟响应”两类，HvVRN2a属于早期响应基因，而HvVRN2b则属于延迟响应基因（图2）。
HvVRN2a与HvVRN2b呈现显著的表达动态差异；传统观点认为，长日照诱导HvVRN2表达，而充分春化则完全抑制其表达。然而，本研究发现了两个出人意料的差异现象。首先，HvVRN2b的表达量远高于HvVRN2a，并且在充分春化（60天）且HvVRN1已被完全诱导的情况下，HvVRN2b仍保持着一定的表达水平，而HvVRN2a则被彻底抑制。其次，这两种基因不仅受长日照诱导，在短期的“部分春化”（如7天或15天低温处理）条件下，它们的表达水平不降反升，出现了显著的稳步增长（图3）。直到经历长时间的充分春化（30-60天）后，随着HvVRN1的大量积累，这两个基因才被显著抑制。这表明HvVRN2的表达调控极其复杂，可能涉及部分春化诱导机制与HvVRN1介导的抑制机制的相互博弈。
加权基因共表达网络（WGCNA）鉴定春化相关模块；为了挖掘与春化相关的协同表达基因群，研究人员利用WGCNA技术将表达基因划分为30个共表达模块（模块M1至M30）。分析显示，模块M18、M20和M27与春化处理及HvVRN2的存在表现出最强的相关性（图4）。随着春化时间的增加，M18模块的基因表达量下降，而M20模块的基因表达量上升。M20模块包含了众所周知的开花诱导基因，如HvVRN1、多个成花素基因（HvFT1, HvFT2, HvFT4）以及光周期相关的HvCO2和HvPRR37。而作为开花阻遏因子的HvVRN2a和HvVRN2b则分别位于M0（未聚类）和M29模块中。基因本体（GO）富集分析进一步表明，M20模块与地上部分系统发育和DNA结合转录因子活性高度相关，而M18模块主要与激素响应相关。这在时间维度上暗示了开花调控的先后顺序：M18和M29模块的基因在春化早期（或部分春化）起抑制作用，而M20模块则在充分春化后激活，推动植物向生殖生长过渡。
基因调控网络（GRN）揭示全新的开花决定因子；基于表达数据和转录因子预测，研究团队利用随机森林算法构建了以HvVRN1、HvVRN2和HvFT1为核心的基因调控网络（GRN）（图5）。该网络不仅成功识别了已知的春化和开花相关基因（如HvBM3、HvBM8和HvPRR37），还发现了仅在存在HvVRN2的C01材料中差异表达的新型转录因子。例如，网络中鉴定出多个AP2/B3、bHLH、GATA转录因子以及一个与拟南芥开花调节因子同源的bZIP类基因（HvFD1-like）。值得注意的是，HvVRN2a和HvVRN2b在网络中的位置呈现分化：HvVRN2a在调控通路上与HvFT1的距离更近；而HvVRN2b的连接节点更多且超出了开花通路的范畴，富集到了叶绿体和光系统相关的基因，暗示其除了抑制开花外，还具有更广泛的生物学功能。
AlphaFold3蛋白建模揭示VRN2复合物的高稳定性机制；先前的假说提出，含有CCT结构域的蛋白（如VRN2、CO1和CO2）会在蛋白水平上竞争性地结合核因子Y（NF-Y）亚基，从而调控FT基因的表达。为验证此机制，研究人员采用AlphaFold3对大麦CCT/NF-Y复合物进行了三维结构建模。结果显示，CCT结构域正是结合启动子靶标序列（CCACA基序）的核心位点。更关键的是，预测模型表明，相较于促进开花的HvCO1或HvCO2，开花阻遏蛋白HvVRN2a（以及HvVRN2b）与NF-YB/NF-YC形成的蛋白复合物在结构上更为稳定（图6）。这为HvVRN2的抑制功能提供了强有力的分子机制解释：高度稳定的VRN2/NF-Y复合物能够有效地“霸占”靶标结合位点，阻止了开花激活复合物CO2/NF-Y的组装，从而阻断了HvFT1的表达。
验证HvVRN2在调控大麦分蘖中的潜在新功能；GRN网络分析的一个意外发现是，控制水稻分蘖的基因OsPROG1的大麦直系同源基因受到了HvVRN2的调控。为验证这一关联，研究团队分析了独立的表型实验数据。结果表明，无论是否经过春化处理，包含HvVRN2的C01材料的分蘖数始终多于缺失该基因的C03材料）。这表明HvVRN2的存在不仅推迟了开花时间，还能够在植物从营养生长向生殖生长转变的过渡期内稳定和促进基部分蘖的产生。由于分蘖数直接关系到作物的最终产量，这一发现解释了为何许多无需春化的春大麦品种在育种过程中仍保留了HvVRN2基因的生态和农艺学原因。
全文总结与展望
综上所述，该研究利用多因素转录组学和高级生物信息学分析，深度解析了大麦HvVRN2位点的功能复杂性。研究明确指出，HvVRN2a和HvVRN2b不仅在表达丰度上存在巨大差异，其响应春化的动态模式和所参与的基因调控网络也有所不同，因此它们应被视为具有独立且广泛适应性功能的两个不同基因。此外，利用蛋白复合物建模提供的证据，研究进一步完善了VRN2通过形成高稳定性的CCT/NF-Y复合物来竞争性抑制开花的分子机制。同时，发现HvVRN2对大麦分蘖具有促进作用，为未来通过精细调控春化基因以提高禾本科作物产量和环境适应性提供了全新的靶点和理论支撑。
研究团队与资助
该论文的第一作者为Francesc Montardit-Tarda，通讯作者为西班牙高等科学研究理事会（EEAD-CSIC）的Ernesto Igartua。参与本研究的还有Irene Puyó、Philippa Borrill等多位学者。本研究工作得到了西班牙政府科研项目（AEI/FEDER）、阿拉贡地方政府以及匈牙利农业研究中心等相关机构的科研基金和博士奖学金资助。
DOI链接https://doi.org/10.1111/nph.71162
小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn
投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com
热门跟贴