Grattapaglia D, Plomion C, Kirst M, Sederoff RR (2009) Genomics of growth traits in forest trees. Curr Opin Plant Biol 12:148–156. doi: 10.1016/j.pbi.2008.12.008

樹木的生長特征是森林生態系統適應和人造林生產力的基本要素。許多過程決定了樹木生長，這些生長受到幾個世紀以來對環境信號動態響應的遺傳和表觀遺傳因子的控制?；蚪M學的進步使得對樹木生長和適應的復雜機制的理解更加了解。然而，基因組學在提高森林生產力和可持續性方面的應用仍然需要捕獲控制組分特征的總遺傳變異的很大比例。然而，遺傳學和基因組學是統一的學科，將有助于解剖樹木生長發育的變數和機制。

引言

與草本植物相比，樹木的一個顯著特征是它們的巨大身材，由幾十年到幾個世紀的高度和徑向二次生長推動。二次生長源自血管形成層，其由二次分生干細胞組成，其分化成樹皮到外部（次級韌皮部）和木材到內部（次級木質部）。樹的生長由細胞分裂和擴展在頂端和成像分生組織，發育和季節性生長轉變，光合作用的效率，營養和水的攝取和運輸，以及響應生物和非生物脅迫的能力決定。這些過程受到無數響應環境信號的遺傳和表觀遺傳因素的控制。生長最終導致提供機械支持，防御機制和在廣泛距離上易位水，溶質和信號分子的結構。
樹木生長相關性狀是天然林和人造林中生存和生產力的基本組成部分（專欄1）。生長到休眠過渡對溫帶和北方氣候多年生植物的生存至關重要。光照或根生長對水表的快速高度增長是先驅物種的主要特征。從功利主義的角度來看，樹木的增長是生產率的代名詞。它代表了任何樹木育種計劃中強化木本生物質生產的首要目標特征，無論最終應用是結構木材，工程木制品，紙漿和造紙或能源。任何森林工業的可持續性取決于不斷供應木材，最佳土地利用以及資本密集型作業中的規模效率。因此，了解樹木生長將對改變環境中森林生存所需的適應性遺傳變異的管理以及木材生產力遺傳增益選擇性育種的效率產生重大影響。
最近在理解植物生長發育的基本方面取得了巨大進展。已經描述了影響激素作用，轉錄控制和其他調節因子的基因套件，主要來自擬南芥擬南芥的研究[1]。大部分工作集中在枝條和根尖的初級分生組織，因為擬南芥幾乎沒有二次生長。雖然初級分生組織對所有植物的生長和發育是基本的，但次生分生組織對木材生產具有更大的意義。最近的評論強調了分子證據表明，參與木材形成的基因并不是樹木獨有的，而是頂端分生組織和血管形成層共享重疊的調節系統[2]。
在這次審查中，我們討論了最近在基因組理解樹木生長方面取得的進展，以及對森林生產力和可持續發展的潛在應用。將注意到五種互補方法，用于鑒定參與控制生長性狀的基因組區域，基因或多態性樹（方框1和表1）。桉樹[4,5]的即將到來的基因組序列以及針葉樹基因組序列的前景可以提高所有這些實驗方法的步伐，特別是在光照下對生物質轉化生物質燃料的重新興趣[5]以及迅速發展的高通量測序和基因分型技術。

方框1影響樹木生長和用于理解和操縱它們的基因組方法的主要特征。箭頭表示基因組方法的方向，無論是基于性狀（前向）還是基于基因（反向）。雖然QTL定位涉及到前向基因組學，但關聯和群體基因組學在候選基因的基礎上運作。所有其他方法都沿雙向進行。例如，通過激活標記或反向沉默特定的候選基因，可以向前使用轉基因來產生新的表型。全基因組選擇使用表型來開發基因型預測模型，然后將其反向用于推斷表型。

QTL定位：了解復雜生長相關性狀的第一步

QTL定位是解剖復雜性狀遺傳基礎的入門。這是一種無偏見的正向基因組學方法，其中表型顯示調節基因或影響特征的基因組區域的位置。 QTL分析對于多因素性狀如生長具有吸引力，其中候選基因的先驗定義難以捉摸。最近一系列關于樹木的QTL研究，以生長相關性狀為主要目標[6,7,8,9,10,11,12]。生長可以精確測量，特別是在方差分析分析中考慮微環境影響的克隆復制試驗中。它是育種計劃的主要目標特征，特別是生物量生產，鑒于其遺傳力低，育種者對標記輔助選擇有最大希望的特征。用于樹木生長的QTL定位依賴于RFLP，RAPD，AFLP和微衛星[13]。最近，高密度SNP圖[14]和基于微陣列的標記，例如楊樹的單特征多態性（SFP）[Drost D和Kirst M，未發表]和桉樹的多樣性數組技術（DArT）[Grattapaglia D和Kilian A，未發表]正在變得可用。
與作物種類不同，其中選擇親本系以最大限度地提高目標性狀的差異，樹木中的QTL定位已經進行了家系，父母通常是“良好的種植者”。然而，在所有主要種植樹種中都檢測到與生長相關的性狀的QTL [13]。由于實驗設計[15]，效應的大小可能被高估了，因此，發現主要影響QTL的增長解釋在表型變異的10％至30％之間，這是由于樹木的高雜合性。遺傳異質性可能是造成生長QTL位置和不相關家系的變化和與時間和環境變化的顯著相互作用的影響的原因[6,7,12,16]。增長的QTL可能是由于不同種類的變化。我們傾向于認為增長的QTL反映出存在提高育種育種價值的等位基因。然而，增長的QTL可能會在群體中識別交叉中甚至是高頻率的致死基因的分離性半致死基因[17]。
在QTL定位中，對于生長和生物量特征，特別是楊樹的興趣已被更新?？梢钥缭椒N系轉移的微衛星的開發現在允許跨研究比較分析QTL的生長性狀[6,7,12]。這種綜合的QTL位置信息和一個有注釋的基因組序列，有望確定強候選基因的生長。在測序基因組中QTL間隔內這些基因的鑒定在復雜性狀的幾個植物物種中已經成功[18]。隨著新的基因分型技術的大型譜系和更高分辨率的測繪技術在森林中可用，QTL位置信息將越來越多地成為依賴于臨時候選基因的關聯遺傳學的方法的有力替代方法。在楊樹早期的測繪研究中，發現芽組織和芽沖洗的QTL與植物色素B2基因（phyB2）共位[19]。最近的一項關聯遺傳學研究發現植物色素B2基因中兩個非同義SNP與芽組的時間變化相關[20]。

關聯遺傳學和群體基因組學：尋找控制森林樹木生長的基因的有希望的方法

從人類，動物和作物遺傳學中<u>獲取</u>的森林樹木中提出了關聯或連鎖不平衡（LD）映射范式[21]。它是在桉樹[22]開創的，并應用于許多研究，因為測序信息已經可用[20,23,24？6]。該方法很快獲得了興趣，因為它可以很容易地應用于大型隨機交配樹種群，可能克服了林木中的物流和時間限制以及QTL定位的不良解決。由于LD有限，高核苷酸多樣性和缺乏參考基因組序列，關聯遺傳學依賴于候選基因的SNP基因分型。已經報道了木材性狀特征[22,24,25]，芽物候學[20]，抗病性[26]和耐旱性[23]，間接影響生長的基因性狀協會。然而，個體協會的影響程度很小，很少超過10％，即使是高遺傳性狀[26]。

除了僅掃描幾百個基因的目前限制之外，樹種的關聯研究幾乎完全探索了基因的編碼區，而在很大程度上忽略了調節區。由于在森林自然種群中通常觀察到的LD的快速衰減，改變基因表達的突變可能不會通過與編碼區中的SNP的間接關聯來檢測，并且在候選基因方法中可能被忽略。對中高頻等位基因的關注也排除了罕見的SNP變異的分析，難以用現有人群和統計學方法進行檢測。與人類一樣，這些罕見的等位基因中的一些可能是特別有意義的，因為它們可以產生極度的育種價值表型。通過使用只有幾百個人的樣本量，關聯研究也不足，理論上不足以檢測小效應的等位基因[27]。這些結果重申了迄今為止研究的性狀的復雜性質，并進一步挑戰了將候選基因應用于更復雜特征如體積增長的關聯遺傳學的期望。
隨著增長是適應的基礎，生長成分是確定天然樹種群進化重要性基因的極好目標。人口基因組學將全基因組抽樣與群體遺傳整合，以了解進化過程。指導群體基因組學的兩個主要原則：（1）跨基因組的中性基因座將同樣受到人口統計學和人群進化史的影響; （2）選擇的基因座通常會有不同的表現，并顯示“異常”變異模式。大量隨機交配的自然種群的森林樹木，占據不同的環境，提供了獨特的機會來確定適應性群體分化中涉及的多態性[28]。這種方法已經成功地檢測了許多森林樹木的變異對比模式的基因，包括橡樹（Quercus sp。）[29]，加拿大樟子松[30]，海松（Pinus pinaster）[31]和白云杉（Picea glauca）[32]。然而，在楊樹中，沒有發現有遺傳分化的遺傳分化在物候候選基因中遺傳分化的物候候選基因，以前已顯示出明顯的變異[33]。盡管人群基因組學可能代表了鑒定生長和適應性狀態基因的有希望的方法，但仍然存在限制，特別是在候選基因的選擇方面。存在與SNP發現相關的確定偏差，需要有關基因角色的功能信息來驗證候選者。此外，具有較高的基因流量和空間變量選擇？典型的森林？平均自適應性狀的種群差異可能發生，盡管潛在QTL頻率的變化很小[34]，表明上位性相互作用，表觀基因組學或轉座因子的運動。

生長和發育的轉錄組學和遺傳學基因組學隨著樹生長由頂端和成像分生組織細胞分裂和擴張而產生，這些區域的轉錄組一直是幾項研究的重點。關于特定基因在樹木發育和生長中的作用的綜述已在其他地方出版[35]。從莖和其他營養組織的表達序列標簽測序為幾個商業相關樹屬中的樹木生長的基因組了解奠定了基礎[36,37,38,39]。隨后的研究創建了形態生長的詳細轉錄路線圖，主要是在楊樹中，其中在木質部分化期間存在明確的基因表達程序被證明[40]。分生組織中的基因表達程序顯示與枝條和根尖分生組織具有很多相似之處[41]。還注意到吲哚乙酸（生長素）和赤霉素在山楊木地層中的作用，表明生長素濃度控制了一些關鍵調節劑的表達，從而激活了木材形成所必需的下游基因級聯[42]。與親本物種相比，在楊樹F1雜交種中檢測到基因表達的廣泛等位基因特異性變異，其顯示出強大的種子增長優勢[43]。雖然該研究沒有揭示具體的證據，F1雜種中改變的基因調控可能參與了不僅在山楊中也在其他幾種樹種中觀察到的生長雜交表型。
轉錄組研究已經開始解決季節性變化期間的全球基因表達變化。少量的轉錄調控因子似乎控制這些季節性轉變以及表觀遺傳修飾在休眠中的釋放和釋放[44,45]。楊樹葉季節轉錄組的變化也顯示出基因表達的顯著變化[46]。在秋季衰老期間，許多轉錄組的變化與一年生植物中描述的相似，其中光合機械的降解伴隨著蛋白酶的增加。衰老和調控其進展的基因可能在多年生植物和一年生植物之間基本保守，如其他基本生理過程如光合作用觀察[47]。在針葉樹中，主要關注的是理解從早春（春季）到晚夏夏季和秋季的季節變化的基因調控，其特征在于木材的化學和物理性質的變化。通過大型基因組調查[48]評估了這一轉變，該基因組調查檢測到兩個基因表達簇和與Pinus pinaster中早木和晚葉形成相關的相似比例的基因。松樹的其他研究側重于沿著針葉樹垂直軸的轉錄變異分析[49,50]。從頂端分生組織產生的次生形成層比從基底的成熟分生組織產生的更小，預期差異反映在前者細胞分裂和蛋白質合成中涉及的大量基因，而碳水化合物代謝和在后者中木質素過多。最近嘗試確定被子植物和裸子植物之間的保守轉錄物。針葉樹白云杉和擬南芥的比較分析發現一組31個轉錄本在兩種物種的木質部中保存[51]。
長期以來，由于大量固定碳不可逆地流入苯丙素聚合物，生長和木質素含量之間可能存在負相關。轉錄組分析提供了對這一主要控制水平所涉及的機制的洞察[52]。許多基因在單螺旋藻生物合成途徑中的表達與木質素含量和高丁腈基亞基組成呈負相關，與生長呈負相關。甲醛5-羥化酶（也稱為阿魏酸5-羥化酶-F5H）的轉錄水平具有最高的相關性。這種酶是合成松柏醇和芥子醇的分支點，它是木質素的兩個主要前體。高表達與較慢的生長，較高的木質素和高S / G（丁香酰/愈創木酚木質素亞單位）的比例相關。表達QTL（eQTL）分析表明，幾個交互因子（尚未鑒定）同時調控單信號通路中的許多基因[52,53]。似乎是碳水化合物代謝和細胞分裂的代謝控制，調節碳流入芳香族氨基酸生物合成和次級壁的碳水化合物，或增加細胞分裂。
發現生長基因的轉基因方法鑒定負責生長和生物量生產的基因的替代策略是產生抑制或激活靶基因并篩選其表型的突變體。使用插入突變來創建突變體表型的基因標記方法非常適合于樹木[54]。當過表達基因是主導的時，表型可能在初級轉化體中可見，因此在收集在樹中需要幾年的第二代后代之前可以檢測到。激活標記楊樹中的試點種群[55,56]使得能夠研究強等位基因。由于強烈的純化選擇，這些變體在天然種群中將是罕見的。篩選與木本多年生植物相關的發育異常已經確定了影響葉片大小和結構，莖發育，芽沖洗時間，次生代謝和葉片衰老的基因[54,56]。為這些特征鑒定的候選基因座包括含有DELLA結構域的GRAS基因家族成員，其可能調節GA應答。 Busov等人標記了一種調節樹狀狀態的赤霉素分解代謝基因（GA 2-Oxidase）。基因/增強子捕獲已經鑒定了參與血管發育和木材形成的基因[58]。結合QTL和關聯研究，對全基因組插入突變種群的分析將成為當種群篩選廣泛表型時與生物量生產相關的基因發現的有力工具。

用于生長的基于基因組的育種：從表型解剖到森林中的全基因組選擇

盡管森林中關聯遺傳學的理論和實踐的最新進展，單一基因 - 性狀關聯發現可能不足以影響育種復雜的特征，如森林樹木的生長，除非它可以捕獲大部分的個體和群體之間的生長表型變化。在此之前，定量遺傳學方法可能會更有效率。在針葉樹中，正在努力增加采樣到數千個基因的數量，將基因組學轉化為育種應用[26]。然而，由于大型育種群體的LD范圍偏低，所以存在挑戰。復雜性狀中多少表型變異是由編碼區而不是由調控元件直接控制的，仍有待確定。在谷物中，遠處（> 10？0 kbp）順式作用調控區域的非編碼多態性已被證明是整個育種和進化過程中植物適應的重要組成部分[59]。類似的機制可能對森林樹很常見。
人們普遍認為，在以林木為基礎的基因組育種之前，必須對復雜的特征進行剖析[26]。在增長的情況下，還有其他幾個數量性狀，“解剖法”在合理的時間內不會有效推進林木繁殖。相反，全基因組，預測，“黑盒子”的方法，排除QTL的信息，并重點關注目標性狀的遺傳改良，具有更大的應用概率。稱為全基因組或基因組選擇（GS）的這種方法可以被定義為覆蓋整個基因組的數千個標記的同時選擇，使得預期所有基因與至少一些標記物處于連鎖不平衡[ 60]。然而，最近，隨著基因分型成本的下降，GS變得可行，引起了作物[61]和多年生植物[62]育種者的關注。需要基因組和成本效益高的標記系統將GS應用于森林。此外，必須采用有效人口大?。∟e）約20？0個人的專業GS育種種群，以增加LD的程度，并適應目前可實現的每摩根數百個標記的基因分型密度[63]，因為LD是一個功能的4Nec，其中c是兩個標記之間的重組分數。在遺傳異質性林木中，這些種群仍然包含大量遺傳變異，用于持續的遺傳增益。與老鼠相比，最近的實驗結果表明，GS具有比傳統的多基因模型更好的預測能力[64]。在桉樹中正在測試GS方案，其中基于高密度基因分型和數百個發現群體克隆（訓練集）的精確表型開發多個性狀的預測方程，涉及Ne在15?50范圍內。然后在驗證群體中評估預測模型的選擇準確性，針對后代試驗中針對個體樹木級別的早期GS的應用[Resende MDV和Grattapaglia D，未發表]。

結論和觀點

生長的一些方面已經在基因組水平上相對較好地描述，特別是木本植物獨特的成像分生組織及其衍生物。養分和水分吸收，運輸或光合能力等因素的貢獻仍有待更好的了解。木材形成的基因組控制大多從廣義的角度來看，忽略了木本被子植物和裸子植物之間的主要差異。針葉樹和木本被子植物的基因組自3億多年前分離后可能會有顯著的演變。有助于生長變化的許多遺傳和表觀遺傳因素可能不同。被子植物經常經歷基因組重復，為基因新功能化和專業化創造機會。然而，針葉樹基因組似乎在同一時間具有保守的倍性[65]，盡管更多的轉座子活性與較大的基因組大小相關。表觀遺傳學機制如基因組甲基化已被證明在某些針葉樹種群的衰老過程中發生了顯著的變化[66]，并可能在其發育中發揮突出作用。這種差異可能指導未來基因和基因組對生長和發育的了解。
在人類中，基因拷貝數變異和表觀遺傳因子被越來越多地視為表型多樣性的主要貢獻者，特別是對于疾病易感性。在植物中，有助于生長發育的最重要的遺傳變異來源尚不清楚。在林木中，我們只是開始看單核苷酸多態性水平的變異。物種內部和物種之間的結構和表觀遺傳變異，仍然是森林中尚未開發的領域，可能揭示出控制生長性狀的關鍵因素，并且可能直接涉及到在楊樹和桉樹F1種間雜交種中發現的強壯雜種優勢。正在進行的幾個楊屬基因型（Tuskan J，個人通信）的重新排序以及與桉樹即將出現的參考基因組相似的可能性應該能夠更好地了解遺傳多樣性的來源，從而可能揭示基于基因組的新方法來種植樹木改善和可持續增長。