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【中国科学报】剥橘子辣眼睛!《科学》封面文章:橘皮里到底藏了什么
时间:2024-02-22

任何一个剥过柚子、橘子,挤过柠檬的人,都会对从果皮飞溅出来的苦麻味精油印象深刻。这些带着特殊香气的精油来自果皮内的油胞,柑橘油胞则是植物分泌囊的一个代表类型。

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论文评审人指出,该研究代表了柑橘功能基因组学研究的一大进步,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。此外,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。

挤压柠檬皮后飞溅精油的瞬间。受访者供图

意外之喜:枝刺成为研究利器

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,很多遗传机制研究进展缓慢。

在正式开展柑橘油胞研究之前,张飞主要聚焦于植物发育生物学研究,尤其是植物器官形成和发育。枝刺是他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,能保护植物,但对人类却是一个麻烦,不利于具有经济价值的果树的嫁接和修剪。

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,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。

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,这让柑橘从其他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。

以柑橘为研究对象解决枝刺发育问题,他让张飞课题组经历了意外之喜。2021年4月,张飞从耶鲁大学来到华中农大加入了柑橘团队,建立了柑橘功能基因组学实验室,带着与郭文武共同指导的博士生任杰继续研究柑橘枝刺发育问题。

7个月后,任杰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种特殊的结构——油胞。他经过反复观察后发现,枝刺基部具有油胞结构,而顶部没有。

“我们做研究最希望能找到成对材料。”张飞说,枝刺基部和顶部同属一个器官,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,放眼全球,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研究较少。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,为破解更复杂的植物内分泌结构提供重要参考。

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并非易事。

厚积薄发与新技术加持

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”。为了揭开其无油胞突变的秘密,2017年,邓秀新团队开始了无油胞突变的相关研究。几经尝试,该团队博士研究生朱晨桥将10多年前从自然资源挖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则成功定位到无油胞突变基因所在的染色体区间。但这个区间里有54个基因,究竟是哪个基因控制油胞发育,还需继续探索。

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到关键候选基因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,破译了柑橘油胞发育的关键问题。

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

柑橘油胞对于柑橘品质和抗性非常重要。探索其中奥秘,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。其背后的调控机理是研究中又一需要解决的重要问题,而关键点在于该基因启动子调控元件的挖掘上。

课题组利用传统研究技术始终找不到关键点,研究一度陷入困境。团队成员一起重新梳理、从头分析,终于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,他们通过基因编辑筛选到上游关键基因,再利用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,研究团队打通了上下游调控通路,精准挖掘出调控元件,柑橘油胞发育机理这一重要问题得以解决。

“新技术加持,是取得这次科研突破的关键。”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》,过去人们猜测与抗虫有关,即通过分泌具有特殊气味的精油驱赶咬噬柑橘的害虫。但从没有研究证明这一点。要解决这个问题,就必须理论联系实际、紧贴产业。

为了明确油胞具体能够抗什么虫、什么。诵阈峦哦佣啻瘟倒阄魅诎蚕夭,希望当地从业者能提供准确线索。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。邓秀新则对此次调研提出了明确要求:要从不同方位调查至少3个果园。

最终,张飞课题组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:。

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”。例如果皮无油胞的金柑,因无苦麻味的次生代谢物,成为广受消费者喜爱的品种。另外,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,甚至有助于研制开发绿色天然的抗虫制剂,为绿色农业添砖加瓦。

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

信息来源于《中国科学报》 (2024-02-22 第1版 要闻)

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/oPcqWS1_MUkfWigozhvMRQ

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