本次研究的通讯作者为中国华中农业大学的姚璇（Xuan Yao）教授，共同第一作者为方帅（Shuai Fang）和张静（Jing Zhang）。研究于2026年发表在由美国植物生物学家学会（American Society of Plant Biologists）旗下、牛津大学出版社出版的期刊《Plant Physiology》上。

该研究属于植物生物学，特别是作物遗传育种与抗逆生理学的交叉领域。其学术背景在于：全球气候变化和淡水资源短缺使干旱成为限制作物生产力的关键因素。甘蓝型油菜（*Brassica napus*）作为全球第二大油料作物，广泛种植于干旱和半干旱地区，其产量对水分胁迫极为敏感。植物通过调节气孔开闭来平衡二氧化碳吸收（光合作用）与水分蒸腾（蒸腾作用），气孔导度是衡量植物抗旱反应的关键生理性状。尽管全基因组关联研究（Genome-Wide Association Study， GWAS）已在多个作物中用于解析光合相关性状的遗传基础，但在甘蓝型油菜中，特别是在干旱胁迫条件下，光合性状及其响应的遗传机制仍不清楚。此外，晚期胚胎发生丰富蛋白（Late Embryogenesis Abundant， LEA）已被广泛报道参与植物的非生物胁迫响应，但其在调控气孔发育和抗旱性方面的具体分子机制尚不完全清楚。因此，本研究旨在通过GWAS定位甘蓝型油菜在轻度干旱胁迫下气孔导度的关键数量性状位点（Quantitative Trait Locus， QTL），鉴定候选基因，并进行功能验证，最终阐明该基因通过调控茉莉酸（Jasmonic Acid， JA）合成以降低气孔密度、增强抗旱性的分子机制，为甘蓝型油菜抗旱育种提供遗传资源和理论依据。

研究的详细工作流程可分为五个主要步骤。

第一步，表型鉴定与关联分析。 研究首先构建了一个包含167份甘蓝型油菜种质的自然群体。在水肥充足（Well-Watered， WW，土壤相对含水量约80%）和轻度干旱（Water Stress， WS，土壤相对含水量约50%）两种条件下，对处于四叶期的幼苗进行了光合性状的系统测量。测量的性状包括净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率，并计算了瞬时水分利用效率。统计分析发现，与WW条件相比，WS条件下净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率平均分别显著下降了49.83%、69.08%、23.33%和59.58%，而瞬时水分利用效率则平均提高了30.37%。这一结果表明气孔导度是受干旱影响最显著的性状之一。随后，利用该群体已有的基因组重测序数据（约853.5万个高质量的单核苷酸多态性），采用线性混合模型（GEMMA）对上述性状进行GWAS分析。分析设定1×10⁻⁶为显著阈值，并根据连锁不平衡（r² > 0.4）将显著的标记合并为单个QTL。最终，研究共鉴定出106个与光合性状相关的QTL。其中，针对WS条件下的气孔导度性状，在A10染色体上发现了一个极为显著的QTL，命名为 *qSC.A10.1*。

第二步，候选基因预测与单倍型分析。 鉴于该群体中连锁不平衡衰减距离约为50kb，研究者将 qSC.A10.1 区域扩大至领头SNP上下游各50kb的范围，以筛选候选基因。通过对该区域内所有基因的表达谱分析，发现一个编码LEA4蛋白的基因 BnaA10.LEA4-5 （*BnaA10g24180D*）在10小时脱水处理后表达量上调最为显著，因此被确定为首要候选基因。进一步对该基因及其上游2kb启动子区域的变异进行单倍型分析，在167份材料中鉴定出5种单倍型。统计分析显示，携带单倍型Hap1、Hap2和Hap3的材料具有较低的平均气孔导度，而携带Hap4和Hap5的材料则表现出较高的气孔导度。这种表型-基因型关联为 BnaA10.LEA4-5 的功能重要性提供了初步证据。

第三步，基因功能验证材料的创制与初步表型分析。 由于甘蓝型油菜基因组存在复制，研究发现有五个 LEA4-5 的同源拷贝。其中，BnaA10.LEA4-5 和 BnaC09.LEA4-5 序列高度相似且在脱水胁迫下均被强烈诱导。为研究其功能，研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术同时敲除了这两个拷贝，获得了两个纯合突变体（cr1和cr2）。同时，构建了由35S强启动子驱动的 BnaA10.LEA4-5 过表达载体，并转化获得了多个过表达（Overexpression， OE）株系（如OE3和OE7）。亚细胞定位实验表明，BnaA10.LEA4-5 蛋白定位于细胞核和细胞质。在温室条件下对野生型、突变体和过表达株系进行WW和WS处理，结果验证了该基因的功能：在WS条件下，与野生型相比，过表达株系的气孔导度和蒸腾速率显著降低，水分利用效率和存活率显著升高；而突变体则表现出相反的表型。在WW条件下，各株系间无显著差异。这表明 BnALEA4-5 特异地在干旱胁迫下负调控气孔导度，从而提高水分利用效率和抗旱性。

第四步，分子机制探索。 为了阐明 BnALEA4-5 如何降低气孔导度，研究首先观察了气孔发育。显微镜计数显示，在WS条件下，过表达株系的叶片下表皮气孔密度和气孔指数显著低于野生型，而突变体则显著高于野生型。这表明该基因通过影响气孔发育来调控气孔导度。植物激素是气孔发育的关键调节因子。对脱落酸、水杨酸、茉莉酸及其前体OPDA含量的测定发现，过表达株系中茉莉酸和OPDA的含量显著升高，而突变体中则显著降低，其他激素无显著变化。这直接将 BnALEA4-5 与茉莉酸生物合成联系起来。转录组测序（RNA-seq）和基因本体（Gene Ontology， GO）富集分析进一步证实，在突变体和过表达株系中，茉莉酸合成与信号转导通路相关基因的表达发生了显著且相反的变化。RT-qPCR分析精细定位了受影响的基因：在茉莉酸合成通路中，转录因子 EDT1 和 *RAP2.4*，以及下游的 *AOS1*、*AOC4*、*LOX2*、OPCL1 等在过表达株系中上调，在突变体中下调。在茉莉酸信号通路中，MYC2 及其下游的气孔发育负调控因子 *EPF2*、EPFL4 表达上调，而正调控因子 EPFL9 表达下调。双荧光素酶报告基因实验进一步证明，BnALEA4-5 能够显著增强 BnaEDT1 和 BnaRAP2.4 启动子的转录活性。然而，对茉莉酸合成关键前体亚麻酸（C18:3）及其来源脂类（DAG， MGDG， DGDG）的分析表明，其含量在各基因型间无显著变化。这提示 BnALEA4-5 并非通过改变底物丰度，而是通过转录调控来促进茉莉酸合成。

第五步，单倍型的地理分布与模型构建。 为探究 BnaA10.LEA4-5 的自然变异与生态适应性的关系，研究将单倍型分析扩展至一个包含2311份甘蓝型油菜种质的大群体。分析发现，抗旱单倍型（Hap1-3）与不抗旱单倍型（Hap4-5）在地理分布上存在差异：亚洲地区的半冬性油菜中，90%为抗旱单倍型；欧洲的冬性油菜中，抗旱单倍型（主要是Hap2）占56%；北美和大洋洲的春性油菜也以抗旱单倍型为主。从不同单倍型材料中选取的代表性品种的基因表达分析表明，抗旱单倍型中 *BnaA10.LEA4-5*、BnaEDT1 和 BnaRAP2.4 的表达水平显著高于不抗旱单倍型，这与实验室表型结果一致。

研究的主要结果环环相扣，逻辑严密。初始的GWAS在群体水平上将气孔导度表型与A10染色体的一个特定基因组区域关联起来。候选基因分析锁定了 *BnaA10.LEA4-5*，其单倍型与气孔导度表型的关联为后续功能研究提供了遗传学依据。通过创制基因编辑突变体和过表达材料，直接在植株个体水平上验证了该基因在干旱下负调控气孔导度、正调控抗旱性的功能。表型结果（降低的气孔导度）自然地引导至气孔发育的观察，发现了气孔密度的变化。气孔密度的变化又指向植物激素调控，进而通过激素检测发现了茉莉酸水平的差异。转录组和RT-qPCR分析则像“侦探”一样，顺着茉莉酸合成与信号通路，一步步找到了受 BnALEA4-5 调控的关键转录因子（EDT1、RAP2.4）和结构基因（AOS1等），以及最终执行气孔密度调控的下游靶基因（EPF2等）。双荧光素酶实验为“BnALEA4-5→EDT1/RAP2.4”这一调控环节提供了直接证据。单倍型的地理分布分析则将实验室发现置于更广阔的生态与进化背景下，暗示了该基因的自然变异在油菜适应不同气候环境中的可能作用。所有这些结果汇聚在一起，共同支撑了最终结论的每个部分。

本研究的结论是：BnaA10.LEA4-5 是调控甘蓝型油菜抗旱性的一个重要基因。其作用机制在于，该基因（可能通过其伴侣蛋白活性或其他调控方式）能够上调转录因子 EDT1 和 RAP2.4 的表达，进而激活茉莉酸合成关键基因 *AOS1*，促进茉莉酸的生物合成。升高的茉莉酸通过MYC2等转录因子调控气孔发育相关基因（如上调 *EPF2*、下调 *EPFL9*）的表达，最终导致叶片气孔密度降低。在干旱胁迫下，更低的气孔密度意味着更低的气孔导度和蒸腾速率，从而提高了植株的水分利用效率，增强了整体的抗旱生存能力。

该研究的科学价值与应用价值显著。在科学价值方面：1）首次在甘蓝型油菜中系统地通过GWAS解析了干旱胁迫下光合性状，特别是气孔导度的遗传结构，鉴定出大量QTL，为后续研究提供了丰富的基因资源。2）不仅鉴定出一个关键基因 *BnALEA4-5*，更完整地解析了一条从LEA蛋白到茉莉酸合成，再到气孔发育调控，最终影响抗旱表型的全新信号通路，深化了对LEA蛋白功能机制的理解，将原本已知参与胁迫保护的LEA蛋白与具体的激素信号通路和气孔发育生物学过程联系起来。3）揭示了茉莉酸调控甘蓝型油菜气孔发育的具体下游路径，补充了茉莉酸在作物抗旱中的作用机制。在应用价值方面：1）BnALEA4-5 基因本身及其抗旱单倍型（Hap1-3）可作为重要的分子标记，用于甘蓝型油菜抗旱育种的分子标记辅助选择。2）创制的过表达材料具有直接的应用潜力，可作为培育高水分利用效率、强抗旱性油菜新品种的遗传材料。

本研究的亮点突出：首先，研究策略经典而系统，遵循了“群体表型→关联定位→候选基因→功能验证→机制解析”的完整范式，从宏观群体到微观分子，层层深入，逻辑链条完整，证据充分。其次，发现具有重要新颖性：虽然LEA蛋白的抗旱功能和茉莉酸对气孔密度的调控在模式植物中均有报道，但本研究首次在重要油料作物甘蓝型油菜中将二者联系起来，阐明了一个由 LEA4-5 介导的、通过激活茉莉酸合成来降低气孔密度从而提高抗旱性的完整机制，这是对现有知识的重要补充和拓展。再次，技术手段全面且前沿，综合运用了高通量表型组学（光合仪）、基因组学（GWAS）、基因编辑（CRISPR/Cas9）、转录组学、代谢组学（激素与脂质检测）、分子生物学（双荧光素酶、亚细胞定位）等多种技术，为结论提供了多维度的证据支撑。最后，注重理论与应用的结合，不仅探索了分子机制，还进行了大规模种质资源的单倍型分析，关联了地理分布，使研究结果兼具理论深度和应用广度。

此外，研究中还有一些有价值的细节。例如，研究发现 BnALEA4-5 不影响茉莉酸合成前体脂类的总量，这暗示其调控可能更侧重于茉莉酸合成途径的酶活或基因转录效率，而非底物供应，这为进一步研究其精确作用模式提供了方向。同时，该基因定位于细胞核和细胞质，但其本身并非典型的转录因子，它如何精确影响 EDT1 和 RAP2.4 的转录，是其功能机制中一个有待深入探索的“黑箱”，这为后续研究留下了有趣的空间。