摘要
对通直度、节间长、分枝等性状的改良是马尾松育种的重要目标,其中分枝直接影响其干形和木材产量。为探究马尾松不同分枝类型形成的机制,该研究以狐尾型、多干型与正常分枝型马尾松为对象,对顶芽的激素含量、代谢组和转录组进行分析。结果表明:(1)3种分枝类型马尾松顶芽的生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)的含量存在显著性差异,表现为多干型>正常分枝型>狐尾型;狐尾型的IAA/ABA和IAA/CTK比值最大,多干型最小。激素物质主要富集在植物激素信号转导途径、玉米素生物合成等通路。(2)差异表达基因的KEGG分析显著富集到玉米素生物合成、氨基酸代谢、戊糖和葡萄糖醛酸相互转化等通路,进一步筛选获得与植物激素信号转导途径相关的35个差异表达基因。(3)联合分析发现,细胞分裂素和生长素及其有关物质与基因参与调控马尾松的分枝过程,其中色胺、吲哚、反式玉米素等在狐尾型马尾松中上调表达,二氢玉米素核苷等在多干型马尾松中呈上调趋势。该研究初步揭示了马尾松产生分枝现象的差异激素和调控机制,为利用激素调控马尾松的分枝提供了参考。
Abstract
The improvement of traits including stem straightness, internode length, and branching is an important breeding objective for Pinus massoniana, as branching directly affects stem form and timber yield. To explore the mechanisms underlying the formation of different branching types in P. massoniana, this study used fox-tail type, multi-stem type, and normal branching type P. massoniana as materials, and analyzed the hormone contents, metabolome, and transcriptome of apical buds. The results were as follows: (1) The contents of four key endogenous hormones — auxin (IAA), cytokinin (CTK), abscisic acid (ABA), and gibberellin (GA) — in the apical buds of the three branching types differed significantly, following the order multi-stem type > normal branching type > fox-tail type. The ratios of IAA/ABA and IAA/CTK were the highest in the fox-tail type and the lowest in the multi-stem type. Hormone-related metabolites were predominantly enriched in pathways such as plant hormone signal transduction and zeatin biosynthesis, which are closely associated with the regulation of plant growth and branching development. (2) Kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG) analysis of differentially expressed genes (DEGs) revealed significant enrichment in pathways including zeatin biosynthesis, amino acid metabolism, and pentose and glucuronate interconversion. Further functional annotation and further screening identified 35 DEGs specifically associated with the plant hormone signal transduction pathway, thereby highlighting the central role of transcriptional regulation in the formation of branching traits in P. massoniana. (3) Integrated analysis indicated that cytokinins, auxins, and their associated metabolites and regulatory genes participated in the branching process of P. massoniana, in which the compounds such as tryptamine, indole, and trans-zeatin showed an upregulated trend in the fox-tail type, while dihydrozeatin riboside showed an upregulated trend in the multi-stem type. This study preliminarily elucidates the differential hormones and regulatory mechanisms underlying branching variation in P. massoniana, providing a reference for hormone-mediated branching regulation in P. massoniana.
植物分枝生长受到顶端优势的调控,这也是决定植物形态的重要因素(王瑞勤等,1994;刘婷等,2022)。分枝的生长和数量主要由顶芽和侧芽决定,影响植株的光合作用和形态建成(Zhang et al., 2014)。在植物生长发育过程中,分枝受到遗传、生物、环境等多种因素的共同调控(Wang et al., 2018;Dong & Lin,2021),其中植物激素及其有关基因的调控协同发挥着主导作用。生长素(auxin,IAA)能间接诱导腋芽休眠(胡庆毅等,2022),并参与细胞伸长、分裂等植物过程(周玉滢等,2024)。高浓度生长素通过抑制细胞周期特异蛋白的合成,与细胞分裂素(cytokinin,CTK)协同参与顶端优势的调控(胡晓等,2017),细胞分裂素直接促进侧芽萌发以调控分枝的数量;而降低赤霉素(gibberellins,GA)或增加脱落酸(abscisic acid,ABA)的含量均能促使腋芽萌发(张焱等,2008;Mauriat et al., 2011)。因此,植物激素的协同调控网络已经成为解析植物形态建成与植物分枝规律的主要研究方向之一。
马尾松(Pinus massoniana)作为我国特有的用材树种,因具有速生、适应性广、抗逆性强、用途广泛等特点,在造纸、建筑、松脂等林业产业中占据重要地位(杨章旗,2022)。随着经济建设发展,林产品需求持续增长,对马尾松材性的要求也逐渐提高(袁明等,2015):干形通直、轮枝间距长的马尾松是大径材培育的核心目标(杨章旗和舒文波,2012;杨章旗等,2018);而特殊的多干马尾松可通过增加主干数提高单位面积的产量(张嵩,2021),适合作为纸浆材的育种改良方向(杨章旗,1994;陈虎等,2020)。目前,在林业生产中普遍通过修枝的方式调控树形,这一过程不仅耗时,还需要投入大量成本。
马尾松分枝结构大多呈塔形(袁明等,2015),但部分植株因受多种因素的影响会产生不同类型,根据分枝表型可大致归为两类:一类是马尾松主干顶端优势丧失,基部分生多干,最终形成具有多个独立主干共生的特殊结构,称为“多干型”马尾松。随着植株生长,各分干的形态性状逐渐接近单干型马尾松,林分蓄积因主干数量的增加而显著提升。多个分干形成共同的冠幅,相较于单干型植株,每个分干冠幅小、光合效率提升,其生长特性与纸浆材“短轮伐期、高产量”的培育目标高度契合(杨章旗,2022)。另一类则表现为强顶端优势抑制侧芽分化,形成无侧枝的通直主干,与密生针叶共同构成狐尾形态,称为“狐尾型”马尾松,其性状有利于培育大径级无节良材。Ledig和Whitmore(1981)研究认为狐尾型结构属于临界性状,其顶端优势的持续性存在显著个体差异。部分植株可能在多轮抽梢期均保持旺盛的顶端优势从而延续狐尾型结构,直至顶端优势减弱而诱发侧枝萌发。狐尾型植株的主干通直度较普通单干型有所提升,材性优良,节子较少,符合优质大径材“通直长干、少节子”的培育目标。通过解析顶端优势维持与侧芽萌发的平衡机制,可明确临界性状稳定性的调控阈值,为优质大径材选育提供表型指标与技术思路。
目前,马尾松的分枝调控研究主要通过截顶、修枝等传统方式开展(朱小坤等,2019;Chen et al., 2021;尚瑀琪等,2021),但受限于生长周期长、遗传分析困难等因素,马尾松顶端优势激素调控机制的研究仍较为少见。对两种分枝类型(多干型与狐尾型)的系统性研究有助于探究马尾松分枝发育机制,进而为突破传统依赖人工修枝的局限性提供思路。因此,本研究以多干型、狐尾型和正常分枝型马尾松的顶芽为材料,开展内源激素含量测定,并比较分析代谢组、转录组测序结果,通过对比不同分枝的激素调控机制差异,筛选调控马尾松分枝表型的核心激素,为外源激素定向调控马尾松分枝表型、缩短育种周期的研究提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
试验材料来源于广西国有派阳山林场国家马尾松良种基地2022年营造的马尾松子代测定试验林。于2024年春季,选择同一家系无病虫害的正常分枝型(normal branching type,CK)马尾松、狐尾型(fox-tail type,H)马尾松、多干型(multi-stem type,M)马尾松为试验材料(图1)。经前期连续生长观测发现,自然产生不同分枝且分枝长势一致的植株较少,因此随机选取每种类型的植株3株,采集其正处于萌发状态的健康顶芽(未出现明显木质化,芽体饱满且无损伤)。样品采集后去除芽鳞片,立即放入液氮中保存,后储存于-80 ℃冰箱中,备用。每个组合设置3个生物学重复,转录组测序、内源激素含量及代谢组的测定由武汉迈特维尔代谢生物科技有限公司完成。
1.2 形态测定
用测杆、测树的钢围尺和游标卡尺及直尺测定树高、地径、主枝长、分枝数。
1.3 内源激素含量测定
检测植物激素含量和代谢物含量的差异。采用LC-MS/MS进行生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)及有关物质的测定,并进行单因素方差分析和多因素统计分析(Li et al., 2016)。依据标准品构建MWDB数据库进行定性分析,利用三重四极杆质谱的多反应监测模式进行定量分析和类别鉴定。结合单变量统计分析、主成分分析(principal component analysis,PCA)和正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)等多变量统计分析方法,筛选不同分枝表型马尾松的顶芽间存在差异的代谢物,设定筛选标准为倍数变化(fold change,FC)≥2或≤0.5、P<0.05、投影变量重要性(variable importance in the projection,VIP)>1.0,挖掘各组别间的差异代谢物,并进行差异代谢物的KEGG富集等分析(Šimura et al., 2018)。
1.4 转录本组装及注释
提取各组总RNA,测定其完整度及纯度;进行cDNA文库构建与质量检测,构建成功的文库使用Illumina平台进行测序(Chen et al., 2018)。原始数据(raw reads)用fastp过滤后,得到过滤数据读段数量(clean reads)。先经过Trinity对clean reads分别拼接和组装,之后用corset软件聚类去冗余得到Unigene序列,采用Trinotate软件进行功能注释。核酸序列经transdecoder(Haas et al., 2013)预测得到编码序列(coding sequence,CDS)和相应的氨基酸序列。使用RSEM计算转录本的表达量,基因表达水平用RPKM表示。使用DESeq2进行差异表达分析[阈值设定错误发现率(false discovery rate,FDR)<0.05且|log2FC|>1](Varet et al., 2016)。使用R语言软件包topGO和clusterProfiler对差异表达基因做KEGG功能富集分析,以P<0.05为标准筛选显著富集的通路(Huang et al., 2007)。
图
1
不同分枝类型的马尾松
Fig.
1
Different branching types of Pinus massoniana
2 结果与分析
2.1 表型数据分析
由表1可知,不同分枝类型马尾松的树高、主枝长、地径均值表现为H> CK> M。狐尾型马尾松的树高和主枝长均与其他类型存在极显著差异(P<0.01),地径显著高于其他两类(P<0.05);多干型马尾松树高、主枝长和地径为最低,但侧枝数最多,平均可达7.8条,显著高于狐尾型(1.5条)和正常分枝型(5.0条);狐尾型马尾松侧枝数与树高(215.7 cm)、主枝长(172.5 cm)呈现相反趋势。由此可见,马尾松侧枝数随着主干顶端优势的增强而减少。
2.2 植物激素含量与分析
2.2.1 植物激素含量
由图2可知,不同分枝类型的马尾松顶芽中,IAA、CTK、GA、ABA等激素含量分别存在显著差异,并且均在多干型顶芽中含量最高,在不同分枝类型顶芽中含量表现为M> CK> H。不同分枝类型马尾松顶芽激素含量中,IAA/ABA和IAA/CTK比值存在差异(图3),激素含量比值表现为H> CK> H,其趋势与单一植物激素变化趋势相反。各分枝顶芽的激素含量比值均存在显著差异,但多干型的IAA/CTK比值最低,与正常分枝差异不显著。
2.2.2 植物代谢物的鉴定与分析
本研究对样品中九大类共109种代谢物质进行分析,筛选各组间差异显著的差异代谢物。结果(表2)发现,H与CK间存在19个差异代谢物,其中14个差异代谢物上调,5个下调;M与CK之间存在13个差异表达代谢物,其中11个差异代谢物上调,2个下调;H与M差异表达代谢物最多,为22个,其中11个差异代谢物上调,11个下调。
2.2.3 植物激素代谢物的KEGG通路分析
KEGG富集分析结果(图4)表明,植物激素信号转导、玉米素生物合成、次生代谢物生物合成以及二萜类生物合成等途径被共同显著富集。其中,植物激素信号转导通路主要负责接收和传递激素信号,从而调控植物的生长发育,并不直接合成激素;而其他富集的代谢途径则与激素的合成直接相关,二萜类化合物是合成GA的关键前体,而玉米素则是一种天然的CTK。此外,在H_vs_CK比较组中显著富集的色氨酸代谢途径,负责生成IAA的合成前体。综上所述,马尾松顶芽对分枝的调控涉及多种植物激素的协同作用;GA与ABA的合成与多干型、狐尾型马尾松的形成密切相关,而IAA参与调控狐尾型马尾松的顶芽生长和分枝过程。
表
1
不同分枝类型马尾松生长量差异
Table
1
Growth increment differences in Pinus massoniana seedlings with different branching types
注:不同大写字母表示不同样品间差异极显著(P<0.01);不同小写字母表示不同样品间差异显著(P<0.05)。下同。
Note: Different uppercase letters indicate extremely significant differences between different samples(P<0.01); different lowercase letters indicate significant differences between different samples(P<0.05). The same below.
图
2
不同比较组植物激素含量比较
Fig.
2
Comparison of plant hormone contents in different comparison groups
2.3 转录组测序结果与分析
2.3.1 转录组测序和数据组装
不同样品间原始数据分布范围为42 562 012~65 464 482,过滤后获得不同样品的过滤数据读段数量,范围为41 765 636~64 545 862,Q20不低于98.18%,Q30高于94.84%,GC含量大于44.16%(表3)。这表明样品转录组测序质量较好,可继续进行后续分析验证。
2.3.2 差异表达基因筛选
将各处理两两组合,筛选不同分枝类型马尾松的差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)。如图5所示,H与CK之间有2 894个DEGs,其中1 203个上调,1 691个下调;M与CK之间有3 956个DEGs,其中1 818个上调,2 138个下调;H与M之间有1 129个DEGs。其中,在H_vs_CK和M_vs_CK中均呈现差异表达的基因有1 367个(图6)。
2.3.3 差异表达的基因功能注释
将DEGs进一步进行KEGG通路分析,结果(图7)发现,H和CK被富集到戊糖和葡萄糖醛酸酯的相互转化、赖氨酸生物合成、肽聚糖生物合成等通路;M和CK富集到β-丙氨酸代谢、赖氨酸生物合成等;H和M的DEGs富集到丁酸代谢、玉米素生物合成、精氨酸生物合成等。此外,DEGs富集到部分与植物激素有关的通路,如玉米素生物合成、植物激素信号转导等。结合分析,推测马尾松差异表达基因可能通过玉米素生物合成、氨基酸代谢、糖代谢等显著富集通路参与调控顶芽生长发育。
2.3.4 植物激素相关的差异表达基因
生长素有关途径的生长素输入载体AUX1(cluster-66375.0、cluster-66375.9、cluster-55644.5等)和AUX/IAA(cluster-55644.0、cluster-47164.1、cluster-49625.0、cluster-50963.0)等DEGs在H中呈上调趋势(图8);细胞分裂素信号转导途径的2个DEGs分别被注释为细胞分裂素受体CRE1(cluster-21588.2)和磷酸转运蛋白AHP(cluster-34034.3)并在M中上调;赤霉素信号转导途径上的赤霉素受体GID1(cluster-34534.2)和核心负调控因子DELLA(cluster-57822.1)在M中上调,在H中下调;脱落酸信号通路上的负调控因子蛋白磷酸酶PP2C注释到cluster-53519.7、cluster-65287.0、cluster-53519.6等并在H中总体上调,响应元件结合因子ABF(cluster-31604.2、cluster-59466.1、cluster-11026.1)在M中总体上调。
图
3
植物激素比例的差异
Fig.
3
Differences in plant hormone ratios
表
2
各组合差异代谢物统计
Table
2
Statistics of differential metabolites in each combination
2.4 植物激素代谢与转录组联合分析
为了揭示马尾松分枝表型的激素调控机制,对组间差异基因与组间差异激素代谢物共有通路进行分析。H_vs_CK的共注释通路为色氨酸代谢、代谢通路、次生代谢物生物合成;M_vs_CK的共注释通路包括代谢通路、次生代谢物生物合成等;H_vs_M的共注释通路为苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成,次生代谢物生物合成等。
联合分析结果(图9)显示,各组共同注释到的通路主要富集于11类激素物质。其中,在多干型顶芽中,细胞分裂素类物质反式-玉米素-O-葡萄糖苷(trans-zeatin-O-glucoside,tZOG)和二氢玉米素核苷(dihydrozeatin riboside,DHZR),以及赤霉素4(gibberellin A4,GA4)、赤霉素51(gibberellin A51,GA51)和茉莉酸(jasmonic acid,JA)等物质的相对含量出现上调;结合转录组分析,赤霉素GID1(cluster-34534.2)和DELLA(cluster-57822.1)的基因和细胞分裂素有关基因CRE1(cluster-21588.2)、AHP(cluster-34034.3)的基因在M中上调表达(图8)。另外,狐尾型顶芽中存在细胞分裂素衍生物反式玉米素(trans-zeatin,tZ)及生长素有关的吲哚(indole)、色胺(tryptamine,TAM)等显著上调,与IAA有关的基因大部分在H中上调表达。
3 讨论与结论
植物分枝是受到多种因素调控的过程,植物激素在其中发挥着关键作用(Mashiguchi et al., 2011)。不同分枝类型马尾松在幼年时期的抽梢长度及干形的显著差异相对明显,本研究以两年生“狐尾型”“多干型”马尾松与正常分枝型马尾松抽梢顶芽为材料,通过分析分枝调控相关差异表达基因及内源激素的差异,初步解析了马尾松形成不同分枝形态可能的调控机制。
狐尾型、多干型与正常分枝型马尾松在树高、地径和主枝长均值、侧枝数存在显著性差异。植物通过调节各部位生物量分配以适应生长所需的养分和能量,其表型特征可以作为本身的生长状态最直观的响应体现之一。旱柳(Salix matsudana)、东北岩高兰(Empetrum nigrum var. japonicum)等植物可通过不同分枝构型以适应多变的生存环境(何维明和董鸣,2001;安慧君等,2021)。其中,植物激素的调控直接影响形态的建成。植物中IAA/ABA和IAA/CTK的比例是调控植物分枝模式的关键指标(Li & Bangerth,1992;Wang et al., 1994)。小麦(Triticum aestivum)(李春喜等,2000)、玉米(Zea mays)(王如芳等,2012)的单株分蘖数与IAA/CTK呈负相关。本研究的激素含量分析发现,多干型马尾松顶芽的IAA/ABA比值显著低于狐尾型马尾松顶芽,与多侧枝白皮松(Pinus bungeana)品种的IAA/ABA比值较低结论相似(蔡齐飞,2019)。此外,狐尾型顶芽的IAA/CTK比值最高且显著高于其他两种分枝类型,激素含量比值的改变可能是马尾松分枝类型形成的原因。
图
4
差异代谢物的KEGG富集
Fig.
4
KEGG enrichment of differential metabolites
表
3
样品测序质量统计
Table
3
Sample sequencing quality statistics
图
5
差异表达基因数目
Fig.
5
Number of differentially expressed genes
图
6
差异表达基因韦恩图
Fig.
6
Venn diagram of differentially expressed genes
顶端优势的形成与IAA有关。Auxin在顶芽合成,通过极性运输到侧芽,使其生长受到抑制(Kebrom,2017)。AUX/IAA参与Auxin转运和信号转导(Luo et al., 2018)。AUX1作为生长素的胞间转运蛋白,与生长素响应因子(auxin response factor,ARF)相互作用合成生长素(Yang et al., 2006),顶芽合成的过量IAA向下运输并在侧芽积累,使其生长受到抑制,维持顶端优势(Taylor-Teeples et al., 2016)。本研究注释为AUX1的基因(cluster-66375.0、cluster-66375.9、cluster-55644.5等)在狐尾型马尾松顶芽中上调表达,而在多干型顶芽中这些基因大多下调表达,推测狐尾型马尾松顶端优势的形成可能与AUX1介导的生长素胞间运输有关。AHP家族基因参与CTK介导的磷酸转移信号传导通路,参与调节植物器官形成(Hejátko et al., 2009)。过表达AHP2的拟南芥植株表现为CTK高敏现象,从而抑制黄化幼苗的下胚轴伸长(Suzuki et al., 2002)。本研究注释为AHP的cluster-34034.3在多干型顶芽中上调表达,暗示AHP基因通过细胞分裂素信号通路参与马尾松顶芽尖生长过程。
顶芽高ABA含量抑制植物生长(李顺福,2023)。在ABA信号传导通路中,PP2C被认为是负调控因子,PP2C的抑制可增强ABA信号的转导,ABF响应元件结合因子激活下游ABA响应基因的表达(Robert et al., 2006)。本研究中,多干型马尾松顶芽中注释为PP2C的基因(cluster-53519.7、cluster-65287.0、cluster-53519.6)下调表达,注释为ABF的基因(cluster-31604.2、cluster-59466.1、cluster-11026.1)上调表达,在狐尾型马尾松中表达不同;而且多干型马尾松顶芽的ABA激素含量显著高于其他分枝类型马尾松,推测ABA参与调节多干型马尾松的分枝发育,造成植株主干顶端抑制。
色胺(TAM)合成途径中的TAM长期以来一直被认为是IAA合成的前体(Mano & Nemoto,2012)。在烟草(Nicotiana tabacum)的顶端分生组织和愈伤组织,以及马铃薯(Solanum tuberosum)和大麦(Hordeum vulgare)的嫩枝中,同位素标记的14C TAM能够转化为IAA(Quittenden et al., 2009)。本研究中,狐尾型马尾松顶芽的生长素类物质(indole、TAM)与AUX1基因的上调表达,推测狐尾性状的形成可能是顶芽中生长素类前体和相关基因的调控,为顶芽持续生长提供了充足的信号物质,以此维持顶端优势。此外,本研究发现,与其他的细胞分裂素类衍生物不同,tZ在狐尾型马尾松中表现为上调,推测tZ可能是植株不同分枝形成的重要原因之一;而细胞分裂素类衍生物(tZOG、DHZR)在多干型马尾松顶芽中上调;植株矮小、枝条密集的植物普遍存在细胞分裂素含量显著升高。细胞分裂素(CTK)在分蘖旺盛时期的狗牙根(Cynodon dactylon)、丛枝病的泡桐(Paulownia)植株中出现CTK的过表达(张海燕等,2023;李顺福,2023)。在本研究细胞分裂素信号传导通路中,CRE1(cluster-21588.2)、AHP(cluster-34034.3)的基因上调表达。tZOG和DHZR可进一步转化为活性CTK,参与分枝调控(Hluska et al., 2016),而且多干型顶芽的CTK含量显著增加,促使CTK/IAA比值升高,推测植株为应对主干顶端优势的减弱,增加CTK对侧枝芽的正向调控作用,有利于促进基部芽的萌发,进而形成多干型分枝(Xiao et al., 2022)。
本研究初步探讨了狐尾型马尾松、多干型马尾松与正常分枝型马尾松顶芽的激素差异调控。通过激素与转录组联合分析发现,马尾松顶芽受到细胞分裂素和生长素的协同影响,其中色胺、吲哚、反式玉米素等在狐尾型马尾松和多干型马尾松生长中起着关键作用。本研究初步揭示马尾松分枝形成的差异激素调控机制,为激素调控马尾松分枝的研究提供了参考。
图
7
差异表达基因的 KEGG 富集分析
Fig.
7
KEGG enrichment analysis of DEGs
图
8
植物激素信号转导途径中差异表达基因分析
Fig.
8
Analysis of differentially expressed genes in plant hormone signal transduction
图
9
通路相关的差异代谢物
Fig.
9
Pathway-related differentially expressed metabolites


