北京時(shí)間2月9日凌晨，《科學(xué)》（Science）雜志以封面論文形式發(fā)表了果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘團(tuán)隊(duì)鄧秀新院士、張飛教授課題組題為“Molecular regulation of oil gland development and biosynthesis of essential oils in Citrus spp.”的研究成果。研究以柑橘油胞為新模式系統(tǒng)，揭示了分泌囊起始和發(fā)育的分子調(diào)控通路，為提升金柑類果實(shí)鮮食品質(zhì)和增加甜橙、檸檬等精油產(chǎn)值提供重要理論基礎(chǔ)。
復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)如何形成是一個(gè)重要生物學(xué)問題。植物進(jìn)化出多種分泌結(jié)構(gòu)來抵御植食動(dòng)物取食和病原菌侵染。前人關(guān)于植物分泌結(jié)構(gòu)研究大多聚焦于表皮分泌腺毛，如番茄腺毛、青蒿腺毛等。然而，亞表皮分泌囊、內(nèi)部分泌結(jié)構(gòu)如樹脂道以及乳汁管等如何形成依然是迷，其主要原因在于缺乏合適模式研究系統(tǒng)。
研究者發(fā)現(xiàn)，調(diào)控葉片邊緣發(fā)育的兩個(gè)重要轉(zhuǎn)錄因子CsDRNL和CsLMI1也控制油胞起始。CsDRNL直接作用于CsLMI1啟動(dòng)子保守調(diào)控元件GCC盒，促進(jìn)油胞起始與分化。CsDRNL/CsLMI1調(diào)控模塊激活CsMYC5，后者促進(jìn)油胞鞘細(xì)胞分化、分泌腔形成以及精油合成。
該研究充分利用前期創(chuàng)制的遺傳材料和柑橘枝刺模式系統(tǒng)，取得以下三點(diǎn)突破：一是通過正向和反向遺傳學(xué)結(jié)合，發(fā)掘到柑橘油胞起始和發(fā)育核心調(diào)控因子CsLMI1；二是利用柑橘枝刺模式系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了表皮信號(hào)調(diào)控亞表皮分泌結(jié)構(gòu)發(fā)育的機(jī)制，即表皮油胞起始細(xì)胞特異表達(dá)的CsDRNL直接激活CsLMI1；三是證實(shí)了油胞發(fā)育與油胞次生代謝物合成與積累的協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)CsMYC5為CsDRNL/CsLMI1下游重要基因，同時(shí)調(diào)控油胞成熟分化與精油合成。
該研究不僅破解了柑橘油胞發(fā)育之謎，還將有助于柑橘產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。首先，研究結(jié)果可以指導(dǎo)培育無油胞新品種，去除果皮精油苦麻味，提升金柑等果實(shí)鮮食品質(zhì)（如年產(chǎn)值超30億廣受消費(fèi)者喜愛的“脆蜜金柑”）。其次，研究結(jié)果有助于促進(jìn)柑橘果皮等綜合利用，增加精油產(chǎn)值。柑橘精油具有芳香味、藥用價(jià)值和抗蟲功效等，是世界最重要的精油之一。研究揭示了油胞發(fā)育和精油合成的協(xié)同機(jī)制，有助于改良甜橙、檸檬等重要柑橘類果樹以及開發(fā)有效調(diào)控措施，增加柑橘產(chǎn)業(yè)效益。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘團(tuán)隊(duì)博士研究生王紅星、任杰為論文并列第一作者，果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)鄧秀新院士、張飛教授為論文共同通訊作者。郭文武教授提供了重要幫助，柑橘團(tuán)隊(duì)多個(gè)教師也參與了本研究。廣西特色作物研究院陳傳武以及廣西融安縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供了產(chǎn)業(yè)信息。本項(xiàng)目受國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金（海外）和湖北洪山實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。
【英文摘要】
Secretory structures in terrestrial plants serve as reservoirs for a variety of secondary metabolites. Among these, the secretory cavity of the Rutaceae family is notable for containing essential oils with a wide range of applications. However, the molecular basis underlying secretory cavity development is unknown. Here, we reveal a molecular framework for Citrus oil gland formation. Using genetic mapping and genome editing, we demonstrated that this process requires LATE MERISTEM IDENTITY1 （LMI1）， a key regulator of leaf serration. A conserved GCC box element of the LMI1 promoter recruits DORNROSCHEN-like （DRNL） for transcriptional activation. This DRNL-LMI1 cascade triggers MYC5 activation, facilitating the development of oil glands and the biosynthesis of essential oils. Our findings spotlight cis-regulatory divergence within leaf shape genes, propelling novel functional tissue formation.
論文鏈接：https://science.org/doi/10.1126/science.adl2953
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