华中农大近期科学研究进展

揭开生菜“颜值”和“保鲜期”的遗传密码

生菜是全球重要的叶用蔬菜，但其家族堪称“蔬菜界的变形金刚”——有的叶片舒展如裙摆，有的卷曲似海浪；有的翠绿欲滴，有的紫红镶边；更让人头疼的是，一旦抽薹开花，生菜便失去商品价值。传统育种如同“父母包办婚姻”，仅用两个亲本杂交，遗传多样性有限，难以解析复杂性状。科研工作者想要精准调控生菜的“颜值”和“保鲜期”，亟需一张高清“基因地图”。

为此，华中农业大学园艺林学学院、果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室匡汉晖教授团队，联合武汉华大生命科学研究院魏桐研究员团队和华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室杨万能教授团队历时多年，利用16个遗传背景丰富的生菜种质，打造了一个包含381个后代的“基因大熔炉”——MAGIC群体。这个群体如同生菜界的“万花筒”，其遗传多样性丰富、重组事件丰富，为高效全基因组关联分析（GWAS）奠定了基础。

图1.  生菜MAGIC种群的构建及种群结构

研究团队用高光谱成像技术和基因关联分析，锁定了11个控制叶色的关键基因位点。

图2.  生菜叶色/茎色的调控遗传解析

其中，4个位点对应已知的“调色师基因”：bHLH和MYB基因像“调色盘”，调控红叶与绿叶的转换；LsGLK基因则是“叶绿素浓度调节器”，决定叶片的浓淡层次。

有趣的是，团队还发现了5个全新的“隐藏调色师”，它们可能掌握着生菜叶色未知的染色秘诀。控制茎部红色和叶片红色的基因信号既“合作”又“独立”，就像画家调配颜色时，既需要基础色，又需灵活调整笔触。

生菜一旦抽薹开花，商品价值便一落千丈。在生菜中，其中光敏色素基因LsphyB和LsphyC的功能缺失突变会显著延迟生菜开花时间，这与拟南芥等物种中光敏色素促进开花的经典模式截然相反。这一发现揭示了生菜在进化过程中形成的独特光周期响应机制，为培育耐抽薹品种提供了重要的基因资源（图3）。

图3.  MAGIC群体开花时间的GWAS分析及相关基因的验证

叶片的卷曲、裂片、宽窄等形态直接影响生菜的品相。研究团队用3D激光扫描量化叶形特征，结合基因定位，发现了5个控制叶片造型的“设计师基因”。例如，LsTCP4基因如同“卷发棒”，调控叶片的卷曲程度；LsZFP基因则负责所有类型裂叶的发育。

图4.  LsTCP4基因调控生菜叶卷曲的功能验证 

图5.  LsZFP基因调控生菜叶裂/不裂

本研究构建的生菜MAGIC群体可高效解析生菜复杂农艺性状的遗传调控基础。已鉴定的位点和候选基因为莴苣农艺性能与叶片品质改良提供了重要遗传资源，为生菜的设计育种奠定基础。未来可用于解析其他重要性状的遗传基础，例如生菜的营养品质和抗逆性研究。

相关研究成果以“Dissecting the genetic architecture of key agronomic traits in lettuce using a MAGIC population”为题，在国际期刊Genome Biology发表。华中农业大学匡汉晖教授、武汉华大生命科学研究院魏桐研究员、华中农业大学杨万能教授为该研究共同通讯作者，武汉华大生命科学研究院副研究员陈宏运、华中农业大学陈炯炯副教授、翟瑞芳副教授为该研究共同第一作者，华中农业大学莴苣团队多位核心成员参与了本项研究。

论文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-025-03541-6

当寒冬或酷暑来临时，许多昆虫会启动“生存保命模式”——滞育。它们像被按下暂停键：停止发育、囤积脂肪、降低代谢，甚至能抵抗高温或冰冻。这种能力让它们能在恶劣环境中“装死”数月，待环境好转再“满血复活”。

但昆虫是如何预知季节变化的呢？答案藏在“光周期”中——每天日照时长的细微变化，是自然界最可靠的季节信号。就像人类用日历安排农事，昆虫用体内“生物钟”解读昼夜长短，决定何时滞育。然而，这个信号如何转化为控制滞育的生理指令，一直是未解之谜。

华中农业大学植物科学技术学院昆虫资源与行为利用团队王小平教授课题组以大猿叶虫为对象，发现了一个关键“基因开关”——PBAP染色质重塑复合体。它像一台分子级别的信号翻译机，将外界的光周期信号转化为昆虫体内的激素指令。当夏季长日照来临时，PBAP复合体活性下降。通过调控组蛋白修饰标记H3K4me3（类似基因的“激活贴纸”），改变基因表达，使H3K4me3水平降低，导致昆虫咽侧体（激素工厂）生产的保幼激素（JH）减少。昆虫的成年阶段，这种激素本负责维持旺盛的“生殖状态”（如卵巢发育），一旦减少，成年的昆虫便进入滞育。

图1.  RNAi筛选到bap170是大猿叶虫进入生殖滞育的关键转录调控因子

有趣的是，PBAP复合体的“兄弟”BAP复合体并不参与这个过程，说明PBAP是专司季节适应的“特工”。

在深入探索中，研究团队还发现了一个“中间人”——钙调蛋白（CaM）。PBAP通过调节CaM基因的“激活贴纸”，控制钙信号强度，进而影响保幼激素合成。

这相当于在“光信号→激素指令”的通路上加装了一个调节阀：光照变化→PBAP活性改变→钙信号强度调整→保幼激素水平波动→触发滞育。这一连串反应，像多米诺骨牌般精密传导，确保昆虫在最佳时机进入滞育。

图2.  bap170通过咽侧体中的SET1/COMPASS-H3K4me3信号轴调控甲虫滞育发生

该研究首次绘制出“光周期—基因开关—激素—滞育”的全链条调控图谱，不仅加深了对昆虫滞育表观遗传调控机制的理解，还为基于滞育调控的害虫生态防治和昆虫资源利用技术研发提供了重要的理论支撑。

图3. PBAP染色质重塑复合体通过SET1/COMPASS和JH信号通路调控大猿叶虫生殖滞育

相关研究成果以“The PBAP chromatin remodeling complex mediates summer diapause via H3K4me3-driven juvenile hormone regulation in Colaphellus bowringi”为题，发表在国际期刊PNAS。华中农业大学植物科学技术学院已毕业博士生田忠（现为成都中医药大学博士后）为论文第一作者，王小平教授和加拿大阿尔伯塔大学刘文博士为该论文共同通讯作者。华中农业大学在读博士生王蔻、已毕业博士生郭霜、已毕业硕士生李家旭和朱芬教授以及加拿大阿尔伯塔大学Kirst King-Jones教授为研究提供了重要支持与指导。

随着全球气候变暖的加剧，入侵植物的扩散和防控正面临双重挑战。豚草（Ambrosia artemisiifolia L.）作为一种全球性恶性入侵植物，不仅威胁农业生产和生态系统，还因其花粉引发过敏问题而影响人类健康。

为了应对这一问题，生物防治（如引入植食性昆虫）被广泛认为是控制入侵植物的有效手段，然而，气候变化可能改变生物防治的效果。

通过长期野外自然选择实验，华中农业大学资源与环境学院孙燕教授团队发现，被派来治杂草的食草昆虫，加上全球变暖的"进化加速器"，居然让入侵植物豚草解锁了双重超能力！

在昆虫啃食压力下，豚草不仅没被消灭，反而在土壤里埋下更多"超级种子"——这些种子像开了VIP通道的选手，能抢在其它植物前破土而出。它们还能通过根系向土壤微生物发"假情报"，把原本抑制生长的化学信号改写成"生长激素指令"。

而气候变暖就像给这些“植物黑客”装上了火箭推进器：温度每升高1度，豚草的耐寒基因就“觉醒”一分。原本只能在南方“撒野”的它们，现在竟然进化出“抗冻天赋”，悄无声息地向北方扩张。研究团队用“生态测谎仪”（贝叶斯模型）扫描发现，气候变暖对植物基因的改造力度，比土壤微生物的影响还要强3倍——这相当于给杂草发了张"北上通行证"。

图1.植物-土壤反馈对豚草生长和扩散的影响

最令人担忧的是，在气候变暖和生物防治的共同作用下，豚草的入侵潜力被进一步放大，未来需重新评估变暖场景下天敌防控策略的有效性，并优先阻断豚草从暖区向冷区的传播路径。

图2.因果效应模型分析植物基因组和表型组特征、土壤理化性质以及土壤微生物群落对植物-土壤反馈（PSFs）的驱动机制及其生态效应

相关研究成果以“Eco-evolutionary dynamics of plant-soil feedbacks explain the spread potential of a plant invader under climate warming and biocontrol herbivory”为题，发表在国际生态学期刊Global Change Biology。华中农业大学资源与环境学院孙燕教授为文章的第一作者和唯一通讯作者，瑞士弗里堡大学/华中农业大学Heinz Müller-Schärer教授，瑞士苏黎世大学Marcel G. A. van der Heijden教授和Daniele Silvestro研究员，德国埃朗根-纽伦堡大学Gregor H. Mathes研究员参与了该项研究工作。

 文 |  陈宏运  田忠 王蔻 黄胜男  

编辑 | 匡敏

审校 | 蒋朝常 徐行 晏华华 杨正莲