泛基因组与重测序分析揭示樱属植物的开花演化与遗传控制

为什么樱花在不同时间盛开

任何观察过樱树开花的人都会注意到，有的树会瞬间绽放成花海，而有的则在紧闭的花芽状态下维持数周。本文探讨了其中的原因。通过阅读并比较多种樱属植物的DNA，研究者揭示了基因组如何不同，并找到了决定花芽何时苏醒和开放的关键基因。这项工作对试图将树种与不断变化气候相适应的园艺家和果农很重要，也能满足任何好奇自然如何为春季最受喜爱的景观之一计时的读者。

为樱桃构建共享的DNA地图

樱属的樱桃包括著名的观赏花木和重要的经济果树，如甜樱桃和酸樱桃。然而，它们的DNA长期难以被精细研究。研究团队从野生、观赏和食用樱桃中组装了八个新的高质量基因组，并将其与13个现有基因组合并。合计21个基因组形成了一个“泛基因组”——一个捕捉所有樱桃共有基因与仅在部分品种中存在基因的共享参考框架。这个框架让科学家不仅能看到单个碱基的变化，还能识别诸如插入、缺失与重排等较大结构差异，这些差异会强烈影响性状。

隐匿的DNA变化与共享的遗传骨架

利用泛基因组，研究者记录了近50万处樱桃基因组间的结构变异。他们发现长的重复DNA元件在不同物种中扩增，帮助解释为何一些基因组比其他的更大。尽管如此，大多数基因属于一个保守的“核心”集合，所有樱桃都共享，形成了共同的遗传骨架。在这个骨架周围存在大量更具可变性的基因池，这些基因在物种间差异较大，可能支持生长、抗逆性以及果实与花朵性状的差异。这种稳定性与多样性的平衡为理解开花时间的演化奠定了基础。

追踪为何有的樱桃早开花而有的晚开花

为了将DNA模式与真实树体联系起来，团队在上海将21种樱桃并排栽植，记录了它们花芽胀大、变绿和盛开时间。随后他们利用219个樱桃样本的基因组数据，搜索在早花、中花与晚花群体间差异显著的DNA区域。传统的家系或群体结构分析只显示出早晚开花者的弱聚类，提示开花时间并不与简单的物种边界直接对应。相反，对基因组的细致扫描突出显示了在早花或晚花群体中受选择的特定区域，暗示育种者在为当地气候和果园需求筛选树种时，已间接偏好某些变体。

一个加速开花的关键基因

一个名为AGAMOUS-LIKE 9（甜樱桃中记作PavAGL9）的基因尤为突出。随着花芽从休眠向开放转变，其表达显著上升，其DNA序列也携带着强烈的选择信号。当研究者在模式植物拟南芥中强制提高PavAGL9的活性时，植株开花时间提前。在已满足冬季低温要求的樱桃花芽中短暂增强PavAGL9也加快了花芽开放并提高了其他开花相关基因的活性。这些实验共同支持PavAGL9作为解除休眠后花芽进展到盛开的重要驱动因子。

一个分子刹车与协同生长因子

研究并未止步于单个基因。通过计算预测与实验验证相结合，作者发现另一种蛋白PavBPC6能直接结合PavAGL9的调控区并抑制其活性，充当了对开花进程的分子刹车。当在樱桃花芽中过表达PavBPC6时，开花被延迟且PavAGL9的活性下降。团队还表明PavAGL9可与另外两个开花相关蛋白PavSEP1和PavPMADS2发生物理互作，很可能形成复合体以协助花器官的形成。PavBPC6在AGL9类基因上识别的DNA基序在泛基因组中的大多数樱桃中是保守的，表明该调控开关在该群体内广泛存在。

这对樱树及其未来意味着什么

用通俗的话说，作者构建了一个樱桃的共享DNA图谱，并利用它揭示了告诉花芽何时开放的一部分时间控制电路。PavAGL9像油门一样将花芽从冬后休眠推向盛开，而PavBPC6则像脚踩刹车。此类及相关基因的差异有助解释为何有些树早早绽放而有些要等到更暖的日子。随着气候变化以及育种者寻求在恰当时间开花的品种，这一泛基因组及其开花标记为培育能跟上季节变化且兼顾观赏与产量的樱桃品种提供了有价值的指南。

引用: Jiu, S., Lei, Y., Fang, L. et al. Pangenome and resequencing analyses reveal flowering evolution and genetic control in Cerasus. Nat Commun 17, 4689 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72832-8

关键词: 樱桃开花时间, 泛基因组, 植物遗传学, 基因调控, 樱属演化