生物体的最终表型由基因、环境以及基因-环境互作所决定。表型可塑性是有机体在不同环境中产生不同表型能力的特性。植物个体发育轨迹对理解发育过程中的表型可塑性至关重要。株高是受遗传和昼夜温差影响的重要农艺性状。

　　为了探究通过基因预测不同环境下的株高变化，本文以Tx430与P898012杂交形成的高粱重组自交系(RILs)为材料，识别到可以有效量化株高变异的关键环境指数-昼夜温度极差(DTR)，并通过对株高发育轨迹的分析和建模论证了所识别环境指数的生理意义。此外发现了随环境梯度和发育阶段的不同而动态变化的三个遗传位点(Dw1、Dw3和qHT7.1)的遗传效应，据此提出了一个具有三维反应规范的概念模型以展示基因-环境-发育的内部联系。

　　图1. 确定高粱株高变异的环境指标。(A) 在七种环境下整个生长期的每日温度极差(DTR)分布。(B) 各生长期环境平均值与DTR的相关性显著。种植后40-53天(DAP)的DTR与环境平均值相关最显著。(C) DTR40-53与株高的环境平均值有很强的相关性。(D)使用DTR40-53作为单个重组自交系解释变量的回归拟合。点是观测值，线是回归拟合值。

　　图2. 鉴定高粱株高表型可塑性的遗传位点。(A) QTL定位表明，DW1、Dw3、qHT7.1控制株高可塑性。(B)Dw1、Dw3和qHT7.1在种植后40-53天期间(DTR40-53)不同环境中的作图效应在日较差范围内的动态变化。(C)DTR40-53的株高反规范。0到3分别表示DW1、Dw3和qHT7.1位点携带的显性等位基因数目。(D)已知的DW1和Dw3两个等位基因之间的功能多态性。

　　图3. 概念模型。使用三维(3D)反应生长轨迹在不同的环境输入、多个遗传水平上显示基因型、环境和发育对表型的共同作用。(A)不同发育阶段单基因水平对DTR变化的反应规范。(B)多位点单倍型水平上对DTR变化的影响。23=8个单倍型，代表3个位点(Dw1、Dw3和qHT7.1)的8种纯合基因型。(C)在基因组水平上对DTR变化的3D反应规范。最终植株高度的典型2D反应规范在前表面用灰色线条表示。

　　本研究统一了高粱最终株高、株高表型可塑性和株高发育轨迹的遗传控制，有助于更好地理解复杂性状背后的遗传-环境-发育机制。这不仅极大地补充了目前在基因分型、测序、基因克隆和组学方面的能力，还促进了基础科学(如功能基因组学、调控机制和基因组编辑)向可持续农业生产实践的转化。

　　来源：Mu, Q., Guo, T., Li, X. and Yu, J. (2021), Phenotypic Plasticity in Plant Height Shaped by Interaction between Genetic Loci and Diurnal Temperature Range. New Phytologist. Accepted Author Manuscript.

　　编辑：李红叶