气孔是植物叶片及茎表皮上由一对保卫细胞组成的微小孔隙，是植物与外界进行气体交换和水分蒸腾的通道；植物通过感知外界环境变化和自身节律，调控保卫细胞的运动来调整气孔开闭，对植物响应外界环境至关重要。前人研究表明，气孔运动（如打开或闭合）的分子调控机制对于植物生长发育过程和应激反应至关重要，而气孔形态变异的分子调控机制研究相对较少，特别是对同一种内不同气候区生态个体间气孔形态变异的适应性遗传基础研究较少，对于气孔形态自然变异影响叶片生理及抗旱性的潜在分子机制尚不清楚。
围绕上述科学问题，生物学院研究团队联合利用GWAS、eQTL、和mGWAS等多组学分析方法，结合分子生物学实验，构建了以 DUF538 、TRA2和AbFH 2三个等位基因为核心的分子调控网络，系统解析了我国乡土树种毛白杨种质资源群体气孔形态变异影响叶片生理及抗旱性的潜在遗传基础，拓展了基于气候区适应性差异的分子遗传改良机制研究。
研究团队首先通过表型分析发现，毛白杨气孔形态（气孔长、宽、面积、密度和长宽比）在种质资源群体内表型变异丰富，亚群体间分化显著，并与叶片特性和光合性状间存在显著相关性，这表明气孔形态的自然变异在叶片发育和光合过程中起到了关键作用。为此，通过多组学策略（GWAS、eQTL、选择性清除和WGCNA），基于表型和转录水平构建了一个包含 DUF538 、 TRA2 和 AbFH2 三个核心基因及八个互作基因的等位调控网络，并以此为基础系统剖析了毛白杨气孔孔径大小、密度与叶片生理、干旱胁迫响应的潜在遗传关联与局部适应性特征。结果表明，在低纬度的南部群体中气孔长宽比更小，这种特性可能有助于幼苗获得更旺盛的光合与代谢能力；相比之下，在干旱和半干旱地区的西北部群体具有典型的狭长气孔（长宽比更大），这有助于杨树在干旱缺水的恶劣环境中适应极端气候条件。
图1 利用多组学发掘与气孔密度和 AbFH2 表达水平相关的候选基因
研究团队进一步通过模式植物异源过表达、双荧光素酶报告系统以及RT-qPCR等分子生物学实验验证了核心基因的生物学功能；其次，通过构建毛白杨旱胁迫实验群体和F1杂交群体，发现三个核心基因 DUF538 、 TRA2 和 AbFH2 的不同等位型在不同时空下具有功能稳定性，其有利基因型可以稳定地传递给后代。
图2 模式物种异源表达、双荧光素酶报告系统与亚细胞定位
综上所述，该研究系统解析了毛白杨气孔形态及相应的叶片生理特征的遗传结构，构建了气孔形态变异调节叶片生理和抗旱性的遗传调控网络，并揭示了其中可能参与区域性适应的等位基因座，为林木抗逆性状的遗传改良提供了新见解。
上述工作近期发表在生物学TOP期刊Plant, Cell & Environment（IF="7.947），题目为“Leaf physiology variations are modulated by natural variations that underlie stomatal morphology in Populus”，生物学院博士生李连政、金卓颖和黄瑞为共同第一作者，杜庆章教授为通讯作者，权明洋副教授、肖亮博士等参与了该研究工作，林木分子育种团队负责人张德强教授给予该工作总体指导。研究工作受到国家重点研发青年科学家项目（2021YFD2200800）、国家自然科学基金(No. 31872707, 31500550和31872671)等项目的资助支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14471
