
气候变化预测表明,全球气温将大幅攀升,这意味着大多数森林将面临更频繁、更严重的热浪和干旱。树木可能在发育的早期就经历了这些压力源:作为种子中的胚胎。自2000年代末以来,海松(Pinus pinaster)的种子产量一直在下降,海松是地中海盆地特别是法国的主要商业树种(见侧栏)。因此,了解海松在胚胎形成(即胚胎发生)过程中如何对温度条件做出反应,并阐明从幼苗到成虫的其余生命周期中的持久影响是很重要的。
首先,研究人员观察到海松种子所经历的温度影响了胚胎发育的生物学和生化方面;这种影响在发芽后至少持续3年。因此,幼树保留了它们对早期温度体验的记忆;然而,发芽后5年未见效果。这些发现表明是一种表观遗传机制,而不是遗传机制。更具体地说,胚胎发育过程中经历的温度条件在不改变基因DNA序列的情况下诱导了基因表达的变化。在发育过程中,表观遗传变化可以在细胞分裂过程中传递;它们也可能是可逆的。
接下来,为了简化这些复杂的表观遗传过程的研究,研究人员从一颗海松种子(即一棵树的克隆)中产生了多个胚胎。他们制造了三组胚胎,这些胚胎在三个月的成熟期中暴露在三种温度中的一种下(对照:23°C,最低:18°C,最高:28°C)。所有种子在23°C下发芽。在接下来的五年里,观察一直在继续:首先在实验室,然后在温室,最后在田地里。海松的基因组非常大,比人类基因组大8倍,而且还没有完全测序。因此,研究人员改进了一种获取相关基因组区域和基因数据的技术。然后,他们能够分析DNA甲基化的模式,这是一种可以诱导基因表达变化的表观遗传过程。由此产生的变化可以在发育过程中通过细胞分裂传递。在三个发育阶段对种子组进行了分析。研究人员注意到数千个DNA甲基化标记的存在,这些标记的存在受到胚胎成熟过程中所经历的温度的影响,并且在萌发后两年内保持一致。
研究人员确定了10个表现出表观遗传标记积累的基因。这些基因与已知的功能有关,特别是对压力的保护反应、对温度条件的适应和胚胎发育。这些基因最有可能是海松在胚胎发生期间对温度条件的表观遗传记忆的背后,这种记忆在生长中的树木中持续存在。
这项工作表明,胚胎发育过程中的表观遗传修饰可以持续到胚胎发育后(即发芽后),特别是在树木和更普遍的植物中。研究人员的发现表明,长寿命的植物,如树木,可能在非常早期的发育过程中就受到调节,以更好地应对温度或其他环境因素,这一特性将对森林管理产生兴趣。表观遗传记忆也可能在帮助树木对反复出现的压力源(如热压力)做出反应,并在其整个生命周期中迅速适应不断变化的环境条件方面发挥关键作用。面对全球气候变化,森林管理制度可以利用这种表观遗传机制更好地适应和可持续地保护森林遗传资源。
法国的海松
在法国,海松占林地面积的6.4%,在该国西南部尤其丰富(约100万公顷)。这个物种可以忍受营养贫乏的沙质土壤,几乎只存在于加斯科涅州的大片森林地区(覆盖面积:80万公顷)。海松主要被采伐作木材。2022年,法国14%的锯材、16%的木材和30%的工业木材都来自于此。