本網(wǎng)訊（園藝學(xué)院 郝寧 武濤） 2月19日，園藝學(xué)院武濤教授團(tuán)隊與日本東京大學(xué)Toru Fujiwara教授團(tuán)隊合作在Nature Plants雜志在線發(fā)表題為“Novel lignin-based extracellular barrier in glandular trichome”的研究論文，發(fā)現(xiàn)了一種在黃瓜蠟粉球狀體（腺體毛）由木質(zhì)素構(gòu)成且在建立隔室過程中發(fā)揮質(zhì)外體屏障功能的植物新細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，命名為“Neck strip”，其在黃瓜果實表面蠟粉形成過程中起著決定性作用。
隨著人們生活水平的提高，消費者對園藝產(chǎn)品的外觀商品品質(zhì)要求越來越高。果面光澤是果實新鮮度的直接體現(xiàn)，也是重要的外觀品質(zhì)性狀，提高果面光澤度對于提升果實的外觀品質(zhì)和商品價值具有重要意義，培育高光澤的園藝品種也成為育種家的主要目標(biāo)之一。在生產(chǎn)上，打蠟是柑橘、蘋果、梨、油桃、檸檬及番茄等園藝產(chǎn)品采后商品化處理過程中提高果面光澤度的重要手段。黃瓜果皮光澤度主要受蠟粉影響，表面光亮、無蠟粉的黃瓜果實深受消費者喜愛。蠟粉是覆蓋在黃瓜果皮表面的微粒，可影響果皮對光的反射，從而影響果皮光澤度。為了去除黃瓜果實表面蠟粉、增加黃瓜果皮光澤度，生產(chǎn)上常利用脫蠟粉南瓜砧木進(jìn)行嫁接并取得了較好效果，但這種生產(chǎn)方式增加了生產(chǎn)成本。目前人們對黃瓜果實表面蠟粉形成的分子調(diào)控機(jī)制還不了解，也較難從遺傳角度去除黃瓜果實表面蠟粉，增加黃瓜果實光澤度。
該研究以黃瓜EMS誘變獲得的少蠟粉突變體ygp為研究材料，ygp突變體與野生型相比果皮表面蠟粉含量減少，基因定位和基因敲除實驗結(jié)果表明該突變體受CsMYB36調(diào)控。ICP-MS、XRF、SEM-EDS以及SiO2組織染色分析結(jié)果表明，硅主要在野生型黃瓜蠟粉球狀體積累，而ygp突變體硅積累較少，從而導(dǎo)致突變體果實表面蠟粉球狀體SiO2聚合反應(yīng)及表面蠟粉形成過程受到抑制。
為了解黃瓜蠟粉球狀體硅積累的分子機(jī)制，利用WT和ygp突變體果皮進(jìn)行了RNA-seq分析，結(jié)果表明CsCASP1在ygp突變體中顯著下調(diào)表達(dá)，CsCASP1與擬南芥CASP1（AtCASP1）同源，而AtCASP1是根部凱氏帶形成的重要蛋白。酵母單雜交和雙熒光素酶實驗結(jié)果表明CsMYB36直接調(diào)節(jié)CsCASP1表達(dá)。免疫定位和免疫電鏡結(jié)果表明anti-CsCASP1定位于黃瓜蠟粉球狀體neck cell兩側(cè)的細(xì)胞膜。
根中質(zhì)外體屏障凱氏帶主要成分為木質(zhì)素，MYB36在凱氏帶木質(zhì)素沉積和質(zhì)外體運輸過程發(fā)揮重要作用。因此，為了探究MYB36-CASP1模塊是否在蠟粉球狀體中發(fā)揮類似的功能，本研究對蠟粉球狀體木質(zhì)素進(jìn)行了分析。Basic Fuchsin（堿性品紅）和KMnO4染色結(jié)果證明野生型黃瓜蠟粉球狀體neck cell側(cè)面存在木質(zhì)素積累，由該木質(zhì)素構(gòu)成的結(jié)構(gòu)尚未報導(dǎo)。因此，根據(jù)其位置和特性將其命名為“neck strip”。同時，質(zhì)外體示蹤劑實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在黃瓜蠟粉球狀體中起著質(zhì)外體運輸屏障功能，將運輸?shù)较灧矍驙铙w頭部細(xì)胞中的硅酸鹽等積累在質(zhì)外體區(qū)間，而不會通過neck cell回流到其他細(xì)胞，從而促進(jìn)硅酸鹽的積累和SiO2聚合反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而形成蠟粉。
此外，除了葫蘆科蔬菜作物（黃瓜、甜瓜、南瓜、西瓜）外，該研究在其他植物物種（鼠尾草、檸檬草和羅勒等）腺體毛中也觀察到了neck strip結(jié)構(gòu)，表明neck strip是植物界普遍存在的一種細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。
綜上，該研究首次在植物根以外細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種由木質(zhì)素構(gòu)成且具備質(zhì)外體屏障功能的新細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，neck strip，可調(diào)控黃瓜果皮蠟粉形成；同時，發(fā)現(xiàn)neck strip結(jié)構(gòu)在植物中普遍存在。通過對不同黃瓜種質(zhì)neck strip結(jié)構(gòu)調(diào)控基因進(jìn)行操縱，可指導(dǎo)培育果皮光亮無蠟粉的黃瓜新品種，有望變革當(dāng)前黃瓜產(chǎn)業(yè)中通過脫蠟粉南瓜砧木嫁接去除蠟粉提高黃瓜品質(zhì)的生產(chǎn)方式，從而降低高品質(zhì)黃瓜生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；此外，了解neck strip調(diào)控植物腺體毛特殊化合物儲存或者積累的功能，將有助于提高未來“生物工廠”生產(chǎn)效率，并廣泛應(yīng)用于藥物和化學(xué)品生產(chǎn)。
全球植物凱氏帶研究領(lǐng)域權(quán)威專家和引領(lǐng)者Niko Geldner教授對該篇文章進(jìn)行了點評，高度評價了該創(chuàng)新性的研究結(jié)果和研究意義。
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)為該論文第一完成單位，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院青年教師郝寧和在讀博士生姚宏鑫為本文的并列第一作者，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院武濤教授和東京大學(xué)Takehiro Kamiya教授為本文的共同通訊作者；東京大學(xué)Toru Fujiwara教授、浙江大學(xué)李保海教授、東京大學(xué)Michio Suzuki教授、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)王春華博士和曹嘉健博士等也參與了該研究工作。該研究獲得國家自然科學(xué)基金國際合作交流項目和湖南省杰青等項目支持。
文章原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01626-x
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