Population genomics of transcontinental grapevines reveals divergent evolutionary trajectories and cis-regulatory mechanisms underlying cold adaptation
本研究整合了跨洲际群体基因组学与功能验证，揭示了葡萄抗寒性的差异进化轨迹是由冬季热机制驱动的，具体通过一种顺式调控机制实现，即 *vvi-miR169g* 通过切割 *NF-YA* 转录本来负向调节抗寒性。
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多年生的植物面临着与一年生植物不同的挑战。一年生植物只需等待来年更佳的天气即可，而多年生的树木或藤本植物则必须在严酷的冬季中生存下来，并保持生命力以在春天再次生长。对于作为全球产业基石的葡萄藤来说，抵御冻结温度不仅是生存问题，更是生死攸关的大事。抗寒能力不仅仅在于拥有厚实的树皮，它是一个复杂的生物学过程，涉及植物如何读取自身的遗传指令。科学家早已知晓，来自世界不同地区的植物已经进化出了不同的应对寒冷的方式，但正是哪些特定的遗传开关让某些藤本植物能在冰冻中存活而另一些则走向死亡，这一谜团一直未被解开。随着全球气候的变化，理解这些机制至关重要，因为气候变化正威胁着要将许多传统的葡萄酒产区推向极限。
上海交通大学的一个研究小组通过检查全球各地葡萄藤的 DNA，揭开了这一谜团的层层迷雾。他们收集了 223 个不同的葡萄藤样本，范围涵盖了在北美发现的古老野生品种，以及在欧洲栽培了数千年的品种。通过对这些植物进行全基因组测序，并将其与自然生长的气候进行对比，科学家们发现了这两类群体在进化路径上的显著分歧。为了追求果实品质而培育的欧洲葡萄藤遵循了一条进化路径，而必须独自应对残酷严冬的北美野生葡萄藤则遵循了完全不同的另一条路径。研究表明，野生品种开发出了一套复杂的转录后调节系统，这是一种发生在遗传密码被读取之后的基因控制方法，能够针对冻结温度做出灵活且快速的反应。
研究人员发现，这种进化分歧的主要驱动力是每年最冷的那个月的温度。利用先进的统计模型，他们证明了这一特定的热过滤机制对北美野生种群遗传构成的影响，远大于它们之间的地理距离或其他环境因素。相比之下，由人类驯化并随人类迁移的欧洲葡萄藤，其选择信号更多集中在果实甜度和颜色上，而非极端耐寒性。当研究团队将这些不同的葡萄藤置于受控的冷胁迫测试中时，这种差异在物理层面变得清晰可见。北美品种即使在经历 24 小时的冰冻后，仍能维持其光合作用机制（即驱动植物运行的引擎）；然而，欧洲品种的光合作用效率却迅速崩溃，叶片变褐并枯死。
这种差异的核心在于位于第 8 号染色体上的一个特定遗传开关。研究人员精准定位到了一个位于名为 vvi-miR169g 的基因之前的区域，该基因充当着主调节因子。该基因通过靶向并切割防御相关基因的转录本，从而负向调节抗寒性。在对寒冷敏感的欧洲品种中，该基因启动子区域的特定变异产生了一个“从头合成”（de novo）基序，这可能导致了较高的表达水平，从而使植物的防御机制处于受抑制状态。相比之下，具有抗寒能力的北美品种在同一区域拥有不同的遗传变异（特定的单倍型），这种变异允许进行更平衡的调节，防止了防御机制被过度抑制。研究证实，该基因通过靶向另一组负责抗氧化剂生成的基因发挥作用。当寒冷袭来时，北美品种能维持一种状态，使 vvi-miR169g 基因不会过度抑制这些防御机制，从而允许植物产生抗氧化剂来保护细胞免受损伤。而拥有特定启动子变异的欧洲品种无法做出这种调整，使其在冻结胁迫面前显得脆弱不堪。
为了证明这一机制的真实性，科学家们进行了人工改变葡萄组织中基因活性的实验。当他们增加 vvi-miR169g 基因的活性时，植物对寒冷的敏感度大幅提高，遭受了严重损伤。相反，当他们沉默（抑制）该基因时，植物表现出显著的抗冻能力，即使在压力下也能保持健康和光合作用能力。这证实了该基因作为一个负向调节因子——即抗寒性的“刹车”——的存在，而移除这个刹车是生存的关键。研究还利用计算机模型模拟了这些遗传模式在预测的气候变化情景下的表现。结果表明，虽然一些野生北美种群可能会因冬季变暖而面临困境，但如果极端寒冷事件仍然发生，某些欧洲品种也可能面临局部风险。
这项工作提供了一张关于多年生作物如何适应环境的清晰图谱，其研究深度已超越了简单的生存观察，深入到了分子水平。它表明，一株藤本植物是死于严寒还是在严寒中幸存，往往取决于控制基因开启与关闭的几个特定 DNA 序列的变化。通过识别这些精确的遗传靶点，该研究为培育能够抵御多变世界的抗寒葡萄藤提供了新途径。研究结果表明，通过微调这些调节开关，科学家有可能在不牺牲果实品质的前提下，增强高质量欧洲品种的抗寒能力，从而确保在全球变暖的背景下，葡萄栽培业的未来。
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