作者:李晨,徐行,张心如 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/9 9:04:58
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《科学》封面:揭秘柑橘油胞的前世今生

 

任何一个剥过柚子皮、橘子皮,挤过柠檬的人都对飞溅出来的带着特殊香气、具有苦麻味的精油印象深刻,它来自果皮内的油胞。柑橘油胞是植物分泌囊的一种代表类型。

此前,人们对柑橘油胞形成和发育的认知一片空白,其内部精油合成调控机制也不清楚。

2月9日,《科学》杂志以封面文章的形式发表了华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、中国工程院邓秀新院士和张飞教授课题组的最新研究成果。该研究在全球首次揭示了柑橘油胞发育和精油合成的分子基础。

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挤压柠檬皮后飞溅精油的瞬间(龚时峰、任文武供图) 

论文评审人指出,分泌腺是许多天然产物的生产场所,该论文关注植物分泌腺形成机理,其重要性不言而喻。论文解决了一个非常重要的生物学问题,有很强的进化研究意义;油胞与防御动物、精油富集、风味形成相关,因而具有很大的农业应用价值。该研究代表了柑橘功能基因组学研究的一大进步。 

意外之喜:枝刺成为研究油胞发育的利器

柑橘油胞属于分泌囊,是橘子、橙子、黄皮、九里香等芸香科植物的特征性结构。但柑橘等重要果树生长周期长,受珠心胚干扰,导致很多遗传机制研究困难重重,进展少。

在正式聚焦柑橘油胞研究之前,张飞的工作聚焦在植物发育生物学,重点在于植物器官形成和发育。

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柑橘科植物的果实。张飞供图

枝刺是张飞在美国耶鲁大学做研究时就关注的。植物的枝刺由枝条变态而来,拥有枝刺对植物来说可以起到保护作用,但对人类来说却往往造成各种麻烦。

“枝刺非常不利于嫁接和修剪,而嫁接和修剪对于有经济价值的果树来说,是基本的农事操作。”华中农大柑橘团队教授郭文武长期从事柑橘细胞工程与遗传改良研究,他创制了大量树体矮化和抗性强的柑橘多倍体材料。

然而,这些多倍体柑橘大多枝刺粗长坚硬,不利于产业中的应用。

另一方面,近年来华中农大柑橘团队教授徐强破解了柑橘高质量基因组图谱,这让柑橘从其它拥有枝刺的植物中脱颖而出,成为研究植物枝刺这一基础问题的优良材料。

尽管如此,以柑橘为研究对象,解决枝刺发育问题,还是让张飞课题组经历了意外之喜。

2021年4月,张飞从耶鲁大学回到华中农业大学工作,他加入了柑橘团队,建立了柑橘功能基因组学实验室,带着与郭文武教授共同指导的博士生任杰继续研究他此前关注的柑橘枝刺发育问题。

7个月后,任杰在建立了柑橘枝刺—刺尖、刺基系统的基础上,在实验室观察柑橘枝刺切片时意外发现,在枝刺的不同部位存在着一个特殊结构——油胞,重复观察后发现,枝刺基部具有油胞结构,而顶部则没有。

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柑橘油胞起始和发育分子调控通路(图片来源:《科学》) 

“我们搞研究最希望能找到成对材料。”张飞说,枝刺基部有油胞,而顶部没有,两者同属一个器官,正是可以用来研究油胞发育的典型成对材料。理论上来说,只要对比两个部位活跃的基因,就可能找到与油胞发育有关的关键基因。

而且,在全球研究领域,植物分泌结构的研究主要集中在分泌腺毛等“外分泌结构”,对内分泌结构——分泌囊的起始和发育的分子机制知之甚少。如果以柑橘油胞为模式系统开展研究,可以揭示分泌囊发育的机制,将为解决更复杂的植物“内分泌结构”提供重要参考,具有重要理论价值。

然而,柑橘基因组复杂,基因位点多,要想快速筛选出关键基因似乎并非易事。 

厚积薄发:多年深耕柑橘领域

机会总是留给有准备的人。柑橘油胞对华中农大柑橘团队来说再熟悉不过了。

上世纪80年代,广西柳州融安县发现并选育了无油胞自然变异的“滑皮金柑”。为了破解其无油胞突变的秘密,2017年,邓秀新团队就开始了无油胞突变的相关研究。几经尝试,博士研究生朱晨桥将10多年前从自然资源发掘到的单胚短童期山金柑材料——“迷你山金柑”与“滑皮金柑”杂交后发现,无油胞为单基因控制的隐性性状。邓秀新与张飞共同培养的博士研究生王红星成功定位到无油胞突变基因所在6号染色体区间为413kb。但这个区间里有54个基因,究竟是哪个基因控制油胞发育,还需持续探索。

这一次,利用柑橘枝刺“刺基有油胞结构,而刺尖没有”的重要信息,张飞课题组终于成功定位关键候选基因CsLMI1,并在基因编辑和遗传互补实验中,证实了该基因调控油胞发育的功能,找到了柑橘油胞发育的关键。

“正是在柑橘枝刺研究中‘意外’发现‘油胞’的分布的不同,加上柑橘团队多年的研究准备,才有了这次的重大发现。这是团队努力和集体智慧的结晶。”张飞说。

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关键遗传材料和柑橘枝刺模式系统。(图片来源:《科学》) 

柑橘油胞对于柑橘品质和抗性非常重要。解析其中奥秘,实现从鲜果到精油,满足人们多元化需求,对于柑橘产业从数量扩张型到质量效益型的转变至关重要。

所以,张飞课题组并不满足于弄清楚油胞形成的遗传基础。候选基因LMI1还具有调控叶型的保守功能,在芸香科其他植物中也能调控油胞发育。其背后调控机理是研究中又一需要解决的重要问题,而关键点在该基因启动子关键调控元件的发掘。

课题组利用传统研究技术始终找不到关键点,一度陷入困境。张飞一方面与任杰、王红星等一起重新梳理、从头分析,一方面结合自己所学,探索尝试新的技术。

终于,他们利用染色质开放性测序技术,结合进化分析和启动子编辑技术,顺利找到了重要调控元件并验证成功。以此为线索,通过基因编辑筛选到上游关键基因CsDRNL。再通过激光共聚焦成像和原位杂交等技术,明确了该基因的表达区域以及与油胞发育过程的联系。至此,他们打通了上下游调控通路,精准地挖掘出了调控元件,柑橘油胞发育机理这一重要问题得以解决。

“拥抱新技术,是取得这次科研突破的关键。如果没有新技术加持,可能实验成果的得出还需要很多年。”张飞说。 

从产区找答案再反哺产业

“柑橘为什么会有油胞这种特殊的分泌结构?”张飞告诉《中国科学报》,过去人们都猜测这与抗虫有关,即通过分泌具有特殊气味的精油驱赶咬噬柑橘的害虫。然而从来没有研究证明这一点。要解决这个问题,必须理论联系实际,紧贴产业。

为了明确油胞具体能够抗什么虫、抗什么病,邓秀新团队紧密联系广西融安县产区,希望当地从业者能提供准确的线索。该产区除种植有油胞的“融安金柑”外,还广泛种植无油胞的“滑皮金柑”和“脆蜜金柑”。

然而,“反馈上来的情况得不到明确的结论。”张飞课题组决定到产区开展实地调研。邓秀新对此次调研提出了明确要求:要看至少三个果园,从不同的方位来调查。

在收集了华中农大研究病虫害防治的教授的建议后,张飞等人拟定了调研方案,并前往融安县,和当地的农业农村局工作人员进行了深入交流。

这一实地调研意义重大,他们最终发现了柑橘油胞对斜纹夜蛾具有抗性,解释了油胞的生物学意义。斜纹夜蛾是一种杂食性、暴食性昆虫,对多种农作物危害极大。

 “应用基础研究要回答一个基本的问题,就是这个东西存在的意义什么。如果能够找到一个确切的病、虫来研究,对后续其他的研究就会有更大的启发,有助于去挖掘其应用意义。”张飞说。

张飞介绍,研究结果可以指导培育无油胞新品种柑橘,提升鲜食品质,让果实更加“好吃”。如,果皮无油胞的金柑(如脆蜜金柑)因无苦麻味的次生代谢物,成为广受消费者喜爱的品种。另一方面,研究结果还有助于促进柑橘果皮的综合利用,增加精油产值,让果皮更加“好用”。

此外,这一研究发现对柑橘高质量绿色发展具有重要意义。融安金柑油胞精油具有天然抗虫功效,弄清楚柑橘油胞发生发育和精油合成调控机制,对柑橘绿色生产减少损失和提升商品价值具有重要意义。甚至可以研制开发绿色天然的抗虫制剂,为绿色农业添砖加瓦。

张飞憧憬道,开发果皮中的精油,是一条实现全果综合利用、推动柑橘产业转型的可行路径。通过现代育种手段,培育精油产量高、质量好的品种,以及通过适当栽培措施提升精油产量和品质,能够满足我国实现柑橘果实多元化利用、产业高质量发展的需要。 

相关论文信息:https://science.org/doi/10.1126/science.adl2953

 
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