本網訊（園藝學院 郝寧 武濤） 2月19日，園藝學院武濤教授團隊與日本東京大學Toru Fujiwara教授團隊合作在Nature Plants雜志在線發表題為“Novel lignin-based extracellular barrier in glandular trichome”的研究論文，發現了一種在黃瓜蠟粉球狀體（腺體毛）由木質素構成且在建立隔室過程中發揮質外體屏障功能的植物新細胞壁結構，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，消費者對園藝產品的外觀商品品質要求越來越高。果面光澤是果實新鮮度的直接體現，也是重要的外觀品質性狀，提高果面光澤度對于提升果實的外觀品質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之一。在生產上，打蠟是柑橘、蘋果、梨、油桃、檸檬及番茄等園藝產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，生產上常利用脫蠟粉南瓜砧木進行嫁接并取得了較好效果，但這種生產方式增加了生產成本。目前人們對黃瓜果實表面蠟粉形成的分子調控機制還不了解，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果表明該突變體受CsMYB36調控。ICP-MS、XRF、SEM-EDS以及SiO2組織染色分析結果表明，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，從而導致突變體果實表面蠟粉球狀體SiO2聚合反應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制，利用WT和ygp突變體果皮進行了RNA-seq分析，結果表明CsCASP1在ygp突變體中顯著下調表達，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果表明CsMYB36直接調節CsCASP1表達。免疫定位和免疫電鏡結果表明anti-CsCASP1定位于黃瓜蠟粉球狀體neck cell兩側的細胞膜。
根中質外體屏障凱氏帶主要成分為木質素，MYB36在凱氏帶木質素沉積和質外體運輸過程發揮重要作用。因此，為了探究MYB36-CASP1模塊是否在蠟粉球狀體中發揮類似的功能，本研究對蠟粉球狀體木質素進行了分析。Basic Fuchsin（堿性品紅）和KMnO4染色結果證明野生型黃瓜蠟粉球狀體neck cell側面存在木質素積累，由該木質素構成的結構尚未報導。因此，根據其位置和特性將其命名為“neck strip”。同時，質外體示蹤劑實驗結果表明，該結構在黃瓜蠟粉球狀體中起著質外體運輸屏障功能，將運輸到蠟粉球狀體頭部細胞中的硅酸鹽等積累在質外體區間，而不會通過neck cell回流到其他細胞，從而促進硅酸鹽的積累和SiO2聚合反應的發生，進而形成蠟粉。
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結構，表明neck strip是植物界普遍存在的一種細胞壁結構。
綜上，該研究首次在植物根以外細胞中發現了一種由木質素構成且具備質外體屏障功能的新細胞壁結構，neck strip，可調控黃瓜果皮蠟粉形成；同時，發現neck strip結構在植物中普遍存在。通過對不同黃瓜種質neck strip結構調控基因進行操縱，可指導培育果皮光亮無蠟粉的黃瓜新品種，有望變革當前黃瓜產業中通過脫蠟粉南瓜砧木嫁接去除蠟粉提高黃瓜品質的生產方式，從而降低高品質黃瓜生產成本，提高生產效率；此外，了解neck strip調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”生產效率，并廣泛應用于藥物和化學品生產。
全球植物凱氏帶研究領域權威專家和引領者Niko Geldner教授對該篇文章進行了點評，高度評價了該創新性的研究結果和研究意義。
湖南農業大學為該論文第一完成單位，湖南農業大學園藝學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，湖南農業大學園藝學院武濤教授和東京大學Takehiro Kamiya教授為本文的共同通訊作者；東京大學Toru Fujiwara教授、浙江大學李保海教授、東京大學Michio Suzuki教授、湖南農業大學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
（審稿：王薇薇 庹煉）
日期：2024-02-25
隨著人們生活水平的提高，消費者對園藝產品的外觀商品品質要求越來越高。果面光澤是果實新鮮度的直接體現，也是重要的外觀品質性狀，提高果面光澤度對于提升果實的外觀品質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之一。在生產上，打蠟是柑橘、蘋果、梨、油桃、檸檬及番茄等園藝產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，生產上常利用脫蠟粉南瓜砧木進行嫁接并取得了較好效果，但這種生產方式增加了生產成本。目前人們對黃瓜果實表面蠟粉形成的分子調控機制還不了解，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果表明該突變體受CsMYB36調控。ICP-MS、XRF、SEM-EDS以及SiO2組織染色分析結果表明，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，從而導致突變體果實表面蠟粉球狀體SiO2聚合反應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制，利用WT和ygp突變體果皮進行了RNA-seq分析，結果表明CsCASP1在ygp突變體中顯著下調表達，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果表明CsMYB36直接調節CsCASP1表達。免疫定位和免疫電鏡結果表明anti-CsCASP1定位于黃瓜蠟粉球狀體neck cell兩側的細胞膜。
根中質外體屏障凱氏帶主要成分為木質素，MYB36在凱氏帶木質素沉積和質外體運輸過程發揮重要作用。因此，為了探究MYB36-CASP1模塊是否在蠟粉球狀體中發揮類似的功能，本研究對蠟粉球狀體木質素進行了分析。Basic Fuchsin（堿性品紅）和KMnO4染色結果證明野生型黃瓜蠟粉球狀體neck cell側面存在木質素積累，由該木質素構成的結構尚未報導。因此，根據其位置和特性將其命名為“neck strip”。同時，質外體示蹤劑實驗結果表明，該結構在黃瓜蠟粉球狀體中起著質外體運輸屏障功能，將運輸到蠟粉球狀體頭部細胞中的硅酸鹽等積累在質外體區間，而不會通過neck cell回流到其他細胞，從而促進硅酸鹽的積累和SiO2聚合反應的發生，進而形成蠟粉。
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結構，表明neck strip是植物界普遍存在的一種細胞壁結構。
綜上，該研究首次在植物根以外細胞中發現了一種由木質素構成且具備質外體屏障功能的新細胞壁結構，neck strip，可調控黃瓜果皮蠟粉形成；同時，發現neck strip結構在植物中普遍存在。通過對不同黃瓜種質neck strip結構調控基因進行操縱，可指導培育果皮光亮無蠟粉的黃瓜新品種，有望變革當前黃瓜產業中通過脫蠟粉南瓜砧木嫁接去除蠟粉提高黃瓜品質的生產方式，從而降低高品質黃瓜生產成本，提高生產效率；此外，了解neck strip調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”生產效率，并廣泛應用于藥物和化學品生產。
全球植物凱氏帶研究領域權威專家和引領者Niko Geldner教授對該篇文章進行了點評，高度評價了該創新性的研究結果和研究意義。
湖南農業大學為該論文第一完成單位，湖南農業大學園藝學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，湖南農業大學園藝學院武濤教授和東京大學Takehiro Kamiya教授為本文的共同通訊作者；東京大學Toru Fujiwara教授、浙江大學李保海教授、東京大學Michio Suzuki教授、湖南農業大學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
（審稿：王薇薇 庹煉）
日期：2024-02-25
