北京時間2月9日凌晨，《科學》（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)新與利用全國重點實驗室、華中農(nóng)業(yè)大學柑橘團隊鄧秀新院士、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。
復雜功能結構如何形成是一個重要生物學問題。植物進化出多種分泌結構來抵御植食動物取食和病原菌侵染。前人關于植物分泌結構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)部分泌結構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啟動子保守調(diào)控元件GCC盒，促進油胞起始與分化。CsDRNL/CsLMI1調(diào)控模塊激活CsMYC5，后者促進油胞鞘細胞分化、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)，取得以下三點突破：一是通過正向和反向遺傳學結合，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)了表皮信號調(diào)控亞表皮分泌結構發(fā)育的機制，即表皮油胞起始細胞特異表達的CsDRNL直接激活CsLMI1；三是證實了油胞發(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，研究結果可以指導培育無油胞新品種，去除果皮精油苦麻味，提升金柑等果實鮮食品質(zhì)（如年產(chǎn)值超30億廣受消費者喜愛的“脆蜜金柑”）。其次，研究結果有助于促進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)大學柑橘團隊博士研究生王紅星、任杰為論文并列第一作者，果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室、華中農(nóng)業(yè)大學鄧秀新院士、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，柑橘團隊多個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。本項目受國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（海外）和湖北洪山實驗室項目的資助。
【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
日期：2024-02-19
復雜功能結構如何形成是一個重要生物學問題。植物進化出多種分泌結構來抵御植食動物取食和病原菌侵染。前人關于植物分泌結構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)部分泌結構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啟動子保守調(diào)控元件GCC盒，促進油胞起始與分化。CsDRNL/CsLMI1調(diào)控模塊激活CsMYC5，后者促進油胞鞘細胞分化、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)，取得以下三點突破：一是通過正向和反向遺傳學結合，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)了表皮信號調(diào)控亞表皮分泌結構發(fā)育的機制，即表皮油胞起始細胞特異表達的CsDRNL直接激活CsLMI1；三是證實了油胞發(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，研究結果可以指導培育無油胞新品種，去除果皮精油苦麻味，提升金柑等果實鮮食品質(zhì)（如年產(chǎn)值超30億廣受消費者喜愛的“脆蜜金柑”）。其次，研究結果有助于促進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)大學柑橘團隊博士研究生王紅星、任杰為論文并列第一作者，果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室、華中農(nóng)業(yè)大學鄧秀新院士、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，柑橘團隊多個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。本項目受國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（海外）和湖北洪山實驗室項目的資助。
【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
日期：2024-02-19
