任何一個剝過柚子皮、橘子皮，擠過檸檬的人都對飛濺出來的帶著特殊香氣、具有苦麻味的精油印象深刻，它來自果皮內(nèi)的油胞。柑橘油胞是植物分泌囊的一種代表類型。
此前，人們對柑橘油胞形成和發(fā)育的認(rèn)知一片空白，其內(nèi)部精油合成調(diào)控機(jī)制也不清楚。
2月9日，《科學(xué)》雜志以封面文章的形式發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬園藝作物種質(zhì)創(chuàng)新與利用全國重點實驗室、中國工程院鄧秀新院士和張飛教授課題組的最新研究成果。該研究在全球首次揭示了柑橘油胞發(fā)育和精油合成的分子基礎(chǔ)。
擠壓檸檬皮后飛濺精油的瞬間（龔時峰、任文武供圖）
論文評審人指出，分泌腺是許多天然產(chǎn)物的生產(chǎn)場所，該論文關(guān)注植物分泌腺形成機(jī)理，其重要性不言而喻。論文解決了一個非常重要的生物學(xué)問題，有很強(qiáng)的進(jìn)化研究意義；油胞與防御動物、精油富集、風(fēng)味形成相關(guān)，因而具有很大的農(nóng)業(yè)應(yīng)用價值。該研究代表了柑橘功能基因組學(xué)研究的一大進(jìn)步。
意外之喜：枝刺成為研究油胞發(fā)育的利器
柑橘油胞屬于分泌囊，是橘子、橙子、黃皮、九里香等蕓香科植物的特征性結(jié)構(gòu)。但柑橘等重要果樹生長周期長，受珠心胚干擾，導(dǎo)致很多遺傳機(jī)制研究困難重重，進(jìn)展少。
在正式聚焦柑橘油胞研究之前，張飛的工作聚焦在植物發(fā)育生物學(xué)，重點在于植物器官形成和發(fā)育。
柑橘科植物的果實。張飛供圖
枝刺是張飛在美國耶魯大學(xué)做研究時就關(guān)注的。植物的枝刺由枝條變態(tài)而來，擁有枝刺對植物來說可以起到保護(hù)作用，但對人類來說卻往往造成各種麻煩。
“枝刺非常不利于嫁接和修剪，而嫁接和修剪對于有經(jīng)濟(jì)價值的果樹來說，是基本的農(nóng)事操作。”華中農(nóng)大柑橘團(tuán)隊教授郭文武長期從事柑橘細(xì)胞工程與遺傳改良研究，他創(chuàng)制了大量樹體矮化和抗性強(qiáng)的柑橘多倍體材料。
然而，這些多倍體柑橘大多枝刺粗長堅硬，不利于產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。
另一方面，近年來華中農(nóng)大柑橘團(tuán)隊教授徐強(qiáng)破解了柑橘高質(zhì)量基因組圖譜，這讓柑橘從其它擁有枝刺的植物中脫穎而出，成為研究植物枝刺這一基礎(chǔ)問題的優(yōu)良材料。
盡管如此，以柑橘為研究對象，解決枝刺發(fā)育問題，還是讓張飛課題組經(jīng)歷了意外之喜。
2021年4月，張飛從耶魯大學(xué)回到華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工作，他加入了柑橘團(tuán)隊，建立了柑橘功能基因組學(xué)實驗室，帶著與郭文武教授共同指導(dǎo)的博士生任杰繼續(xù)研究他此前關(guān)注的柑橘枝刺發(fā)育問題。
7個月后，任杰在建立了柑橘枝刺—刺尖、刺基系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在實驗室觀察柑橘枝刺切片時意外發(fā)現(xiàn)，在枝刺的不同部位存在著一個特殊結(jié)構(gòu)——油胞，重復(fù)觀察后發(fā)現(xiàn)，枝刺基部具有油胞結(jié)構(gòu)，而頂部則沒有。
柑橘油胞起始和發(fā)育分子調(diào)控通路（圖片來源：《科學(xué)》）
“我們搞研究最希望能找到成對材料。”張飛說，枝刺基部有油胞，而頂部沒有，兩者同屬一個器官，正是可以用來研究油胞發(fā)育的典型成對材料。理論上來說，只要對比兩個部位活躍的基因，就可能找到與油胞發(fā)育有關(guān)的關(guān)鍵基因。
而且，在全球研究領(lǐng)域，植物分泌結(jié)構(gòu)的研究主要集中在分泌腺毛等“外分泌結(jié)構(gòu)”，對內(nèi)分泌結(jié)構(gòu)——分泌囊的起始和發(fā)育的分子機(jī)制知之甚少。如果以柑橘油胞為模式系統(tǒng)開展研究，可以揭示分泌囊發(fā)育的機(jī)制，將為解決更復(fù)雜的植物“內(nèi)分泌結(jié)構(gòu)”提供重要參考，具有重要理論價值。
然而，柑橘基因組復(fù)雜，基因位點多，要想快速篩選出關(guān)鍵基因似乎并非易事。
厚積薄發(fā)：多年深耕柑橘領(lǐng)域
機(jī)會總是留給有準(zhǔn)備的人。柑橘油胞對華中農(nóng)大柑橘團(tuán)隊來說再熟悉不過了。
上世紀(jì)80年代，廣西柳州融安縣發(fā)現(xiàn)并選育了無油胞自然變異的“滑皮金柑”。為了破解其無油胞突變的秘密，2017年，鄧秀新團(tuán)隊就開始了無油胞突變的相關(guān)研究。幾經(jīng)嘗試，博士研究生朱晨橋?qū)?0多年前從自然資源發(fā)掘到的單胚短童期山金柑材料——“迷你山金柑”與“滑皮金柑”雜交后發(fā)現(xiàn)，無油胞為單基因控制的隱性性狀。鄧秀新與張飛共同培養(yǎng)的博士研究生王紅星成功定位到無油胞突變基因所在6號染色體區(qū)間為413kb。但這個區(qū)間里有54個基因，究竟是哪個基因控制油胞發(fā)育，還需持續(xù)探索。
這一次，利用柑橘枝刺“刺基有油胞結(jié)構(gòu)，而刺尖沒有”的重要信息，張飛課題組終于成功定位關(guān)鍵候選基因CsLMI1，并在基因編輯和遺傳互補(bǔ)實驗中，證實了該基因調(diào)控油胞發(fā)育的功能，找到了柑橘油胞發(fā)育的關(guān)鍵。
“正是在柑橘枝刺研究中‘意外’發(fā)現(xiàn)‘油胞’的分布的不同，加上柑橘團(tuán)隊多年的研究準(zhǔn)備，才有了這次的重大發(fā)現(xiàn)。這是團(tuán)隊努力和集體智慧的結(jié)晶。”張飛說。
關(guān)鍵遺傳材料和柑橘枝刺模式系統(tǒng)。（圖片來源：《科學(xué)》）
柑橘油胞對于柑橘品質(zhì)和抗性非常重要。解析其中奧秘，實現(xiàn)從鮮果到精油，滿足人們多元化需求，對于柑橘產(chǎn)業(yè)從數(shù)量擴(kuò)張型到質(zhì)量效益型的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。
所以，張飛課題組并不滿足于弄清楚油胞形成的遺傳基礎(chǔ)。候選基因LMI1還具有調(diào)控葉型的保守功能，在蕓香科其他植物中也能調(diào)控油胞發(fā)育。其背后調(diào)控機(jī)理是研究中又一需要解決的重要問題，而關(guān)鍵點在該基因啟動子關(guān)鍵調(diào)控元件的發(fā)掘。
課題組利用傳統(tǒng)研究技術(shù)始終找不到關(guān)鍵點，一度陷入困境。張飛一方面與任杰、王紅星等一起重新梳理、從頭分析，一方面結(jié)合自己所學(xué)，探索嘗試新的技術(shù)。
終于，他們利用染色質(zhì)開放性測序技術(shù)，結(jié)合進(jìn)化分析和啟動子編輯技術(shù)，順利找到了重要調(diào)控元件并驗證成功。以此為線索，通過基因編輯篩選到上游關(guān)鍵基因CsDRNL。再通過激光共聚焦成像和原位雜交等技術(shù)，明確了該基因的表達(dá)區(qū)域以及與油胞發(fā)育過程的聯(lián)系。至此，他們打通了上下游調(diào)控通路，精準(zhǔn)地挖掘出了調(diào)控元件，柑橘油胞發(fā)育機(jī)理這一重要問題得以解決。
“擁抱新技術(shù)，是取得這次科研突破的關(guān)鍵。如果沒有新技術(shù)加持，可能實驗成果的得出還需要很多年。”張飛說。
從產(chǎn)區(qū)找答案再反哺產(chǎn)業(yè)
“柑橘為什么會有油胞這種特殊的分泌結(jié)構(gòu)？”張飛告訴《中國科學(xué)報》，過去人們都猜測這與抗蟲有關(guān)，即通過分泌具有特殊氣味的精油驅(qū)趕咬噬柑橘的害蟲。然而從來沒有研究證明這一點。要解決這個問題，必須理論聯(lián)系實際，緊貼產(chǎn)業(yè)。
為了明確油胞具體能夠抗什么蟲、抗什么病，鄧秀新團(tuán)隊緊密聯(lián)系廣西融安縣產(chǎn)區(qū)，希望當(dāng)?shù)貜臉I(yè)者能提供準(zhǔn)確的線索。該產(chǎn)區(qū)除種植有油胞的“融安金柑”外，還廣泛種植無油胞的“滑皮金柑”和“脆蜜金柑”。
然而，“反饋上來的情況得不到明確的結(jié)論。”張飛課題組決定到產(chǎn)區(qū)開展實地調(diào)研。鄧秀新對此次調(diào)研提出了明確要求：要看至少三個果園，從不同的方位來調(diào)查。
在收集了華中農(nóng)大研究病蟲害防治的教授的建議后，張飛等人擬定了調(diào)研方案，并前往融安縣，和當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)農(nóng)村局工作人員進(jìn)行了深入交流。
這一實地調(diào)研意義重大，他們最終發(fā)現(xiàn)了柑橘油胞對斜紋夜蛾具有抗性，解釋了油胞的生物學(xué)意義。斜紋夜蛾是一種雜食性、暴食性昆蟲，對多種農(nóng)作物危害極大。
“應(yīng)用基礎(chǔ)研究要回答一個基本的問題，就是這個東西存在的意義什么。如果能夠找到一個確切的病、蟲來研究，對后續(xù)其他的研究就會有更大的啟發(fā)，有助于去挖掘其應(yīng)用意義。”張飛說。
張飛介紹，研究結(jié)果可以指導(dǎo)培育無油胞新品種柑橘，提升鮮食品質(zhì)，讓果實更加“好吃”。如，果皮無油胞的金柑（如脆蜜金柑）因無苦麻味的次生代謝物，成為廣受消費者喜愛的品種。另一方面，研究結(jié)果還有助于促進(jìn)柑橘果皮的綜合利用，增加精油產(chǎn)值，讓果皮更加“好用”。
此外，這一研究發(fā)現(xiàn)對柑橘高質(zhì)量綠色發(fā)展具有重要意義。融安金柑油胞精油具有天然抗蟲功效，弄清楚柑橘油胞發(fā)生發(fā)育和精油合成調(diào)控機(jī)制，對柑橘綠色生產(chǎn)減少損失和提升商品價值具有重要意義。甚至可以研制開發(fā)綠色天然的抗蟲制劑，為綠色農(nóng)業(yè)添磚加瓦。
張飛憧憬道，開發(fā)果皮中的精油，是一條實現(xiàn)全果綜合利用、推動柑橘產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的可行路徑。通過現(xiàn)代育種手段，培育精油產(chǎn)量高、質(zhì)量好的品種，以及通過適當(dāng)栽培措施提升精油產(chǎn)量和品質(zhì)，能夠滿足我國實現(xiàn)柑橘果實多元化利用、產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要。
相關(guān)論文信息：https://science.org/doi/10.1126/science.adl2953
本文鏈接：《科學(xué)》封面：揭秘柑橘油胞的前世今生http://m.sq15.cn/show-11-2931-0.html
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