热激蛋白与木质素协同调控百香果柱头弯曲运动的分子机制及其对授粉效率的增产意义

《BMC Plant Biology》：Transcriptome analysis revealed the potential molecular mechanism of style bending movement in passion fruit (Passiflora Edulis Sims)

本研究针对百香果因雌雄蕊异位导致的自然坐果难、产量低的问题，通过转录组分析揭示了其柱头在开花后发生弯曲运动的潜在分子机制。研究发现，早期(T1-T2)柱头弯曲与热激蛋白(HSPs)和DnaJ家族蛋白的上调表达相关，表明热应激响应参与调控；后期(T2-T5)则与木质素生物合成途径的显著富集及60%的木质素积累相关，增强了花柱机械强度。同时，植物激素(ABA、JA、GA、BRs)代谢通路差异表达，内源激素定量证实了ABA和JA的阶段性积累模式。该研究为通过分子育种改良百香果授粉效率、提高产量提供了新见解。

　　

素有“果汁之王”美誉的百香果(Passiflora edulis Sims)是一种高经济价值的热带作物，然而其独特的雌雄蕊异位特性却成为提高产量的主要瓶颈。在百香果花朵中，柱头初始位置高于花药，这种空间分离导致自然授粉效率低下，严重制约果实产量。据联合国粮农组织统计，2024年全球百香果产量超过120万吨，中国占98万吨，达全球总产量的82%。然而，中国加工百香果产品进口依赖度高达85%，年浓缩果汁进口量2.3万吨，其中98.5%来自越南，而出口量不足1吨，供需矛盾极为突出。因此，解析百香果柱头弯曲运动机制，对提高授粉效率和产量具有重要意义。

以往研究表明，百香果柱头在开花后会发生空间弯曲运动，使柱头向下弯曲至花药中间，优化柱头-花药空间配置，从而克服雌雄蕊异位问题。特别是具有五心皮的酸百香果花朵表现出完全的柱头弯曲，授粉效率可达100%。然而，驱动柱头弯曲的分子机制尚不明确。近期研究还发现，钴纳米颗粒处理可通过调节生长素/细胞分裂素比例显著提高百香果微繁殖效率，暗示内源激素平衡在器官形态建成中的关键作用。

本研究以广泛栽培的紫百香果品种‘台农1号’为材料，系统研究了其柱头在开花后不同时间点的弯曲运动过程。《BMC Plant Biology》发表的这项研究首次通过多组学分析揭示了百香果柱头弯曲的分子调控网络。

研究人员主要应用了以下关键技术方法：利用石蜡切片和显微观察分析柱头微观结构；通过转录组测序(RNA-seq)鉴定不同发育阶段(T1开花期、T2开花后30分钟、T5开花后120分钟)的差异表达基因(DEGs)；采用KEGG通路富集分析筛选关键代谢通路；通过紫外分光光度法测定木质素含量；利用液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)定量内源激素(ABA和JA)；借助qRT-PCR验证关键基因表达模式。

柱头微观结构特征

‘台农1号’百香果开花时雌蕊已充分发育，包含三个花柱。每个花柱具有融合的基部区域、末端心形柱头(花粉接受表面)和显著的腹侧沟。石蜡切片显示柱头表面密布乳头状细胞(乳突细胞)，其下方为花柱道(花粉管引导管状结构)，纵向延伸至子房室。横切面显示腹侧沟在柱头基部附近形成两个花柱通道，从腹侧沟区域的C形通道逐渐过渡到中部花柱的O形配置。花柱由外表皮、基本组织和花柱导管内表皮组成。

柱头开花后呈现弯曲运动

对‘台农1号’开花过程(T1-T5)的动态观察显示，T1阶段花柱呈直立状态，柱头与花药距离最远。随着开花时间延长，花柱呈现自上而下的空间位移，T5阶段柱头完全埋入花药中。石蜡切片发现，花柱在T1阶段呈现S形弯曲，随着发育进程，这种S形弯曲程度逐渐减弱，T5阶段基本变直。对花柱近轴四个部分(Ⅰ花柱上四分之一、Ⅱ花柱中上部、Ⅲ花柱中下部、Ⅳ花柱下四分之一)的细胞长度、宽度和长宽比的统计分析显示显著的区域异质性。在花瓣展开过程中，近轴侧细胞同步经历纵向伸长、横向扩张和长宽比减小，这些修饰在花柱下象限(区域Ⅳ)最为明显。

不同阶段花柱的转录组分析

转录组测序共获得603,427,148条clean reads，比对到百香果参考基因组后，基于FPKM值计算28,612个基因的表达量。主成分分析显示三个时期花柱样本的生物学重复聚类良好。T1阶段表达基因数量最少，T5阶段表达基因数量最多，表明随着花柱弯曲，花柱中基因被诱导表达。

差异表达分析发现，T2 vs T1组有360个DEGs(70个上调，290个下调)，T5 vs T2组有1,214个DEGs(546个上调，668个下调)。维恩图分析显示，226个DEGs特异性表达于T2 vs T1组，1,080个DEGs特异性表达于T5 vs T2组，134个DEGs共存于两组比较中。

百香果花柱弯曲运动可能受热刺激影响

T1到T2是花柱弯曲运动的初始阶段。该阶段特异性表达的DEGs主要富集于"内质网蛋白加工"(ko04141)、"植物昼夜节律"(ko04712)、"类胡萝卜素生物合成"(ko00906)和"RNA降解"(ko03018)通路。其中18个DEGs富集于"内质网蛋白加工"通路，均为热激蛋白家族蛋白和DnaJ家族蛋白。热图分析显示，与T1阶段相比，所有这些DEGs在T2阶段均被诱导上调，其中5个DEGs在T5阶段持续上调。基因功能注释查询发现，这些持续上调的基因包括HSP20家族蛋白、HSP90家族蛋白和DnaJ家族蛋白。热激蛋白可由热刺激诱导表达，这表明花柱弯曲运动过程可能受环境热刺激影响。

百香果花柱弯曲运动可能由木质素积累引起

T5 vs T2组特异性表达的DEGs富集于21条KEGG通路，其中30个DEGs显著富集于"苯丙烷生物合成"(ko00940)通路，是富集DEGs最多的通路。基因功能注释发现，这些DEGs参与木质素生物合成途径，属于木质素生物合成途径中的7类酶，可逐步催化苯丙氨酸合成稳定的木质素。

热图分析显示，大多数编码木质素生物合成途径的DEGs随着花柱弯曲进程逐渐上调，在T5阶段达到表达峰值。生理检测证实，随着花柱S形弯曲减弱，木质素显著积累，从T1到T2增加60%，从T2到T5增加43%。木质素积累有利于增强植物机械强度，使其不易倒伏，这与石蜡切片观察到的花柱本身S形弯曲程度随花柱弯曲运动而减弱的表型一致。

同时研究发现，一个富集的查尔酮合成酶(CHS)基因和两个4CL基因呈现逐渐下调的表达趋势。4CL作为苯丙氨酸代谢途径的上游功能酶，参与黄酮类生物合成和木质素生物合成。查尔酮合酶是黄酮类生物合成途径的关键酶，具有较强的抗氧化能力。NBT和DAB染色及总抗氧化能力(T-AOC)测定结果显示，与T1花柱相比，T2和T5阶段花柱显示更深深色区域，T1花柱抗氧化能力显著强于T2和T5阶段，T5花柱抗氧化能力最弱。表明在花柱弯曲运动过程中，花柱的抗氧化能力有所下降。

百香果花柱弯曲运动可能受内源激素介导

进一步分析发现，T1到T2和T2到T5阶段特异性DEGs均富集于"类胡萝卜素生物合成"(ko00906)通路。"类胡萝卜素生物合成途径"是脱落酸(ABA)的生物合成代谢途径。类胡萝卜素是ABA的前体，ABA是8'ABA羟化酶(ABA8'ox)的底物。胡萝卜素β-羟化酶(CHY-β)和玉米黄质环氧化酶(ZEP)是ABA生物合成途径中的功能酶，表达上调促进花柱中内源ABA含量增加。随着ABA含量增加，ABA8'ox被上调，特别是在T5阶段表达水平最高。

内源ABA含量测定结果显示双相积累模式：从T1到T2阶段急剧增加30%，随后从T2到T5阶段逐渐上升9%。表明ABA生物合成和代谢相关基因在花柱弯曲运动过程中被差异调控，ABA逐渐积累，促进内源ABA8'ox表达上调，参与花柱中内源ABA的分解。

此外，在T5 vs T2组中还发现9个DEGs富集于"油菜素甾醇生物合成"(ko00905)，5个DEGs富集于"亚油酸代谢"(ko00591)，包括4个DEGs参与茉莉酸(JA)生物合成。7个DEGs富集于"二萜生物合成"(ko00904)，其中3个DEGs参与GA1向GA8的转化。热图分析显示，除油菜素甾醇生物合成途径中的两个基因随花柱弯曲下调外，其余14个基因均被诱导上调，特别是在T5阶段表达水平最高。茉莉酸含量测定发现，从T1到T2阶段增加30%，随后从T2到T5阶段进一步增加22%，这种积累趋势与转录组数据一致。

qRT-PCR验证DEGs

为验证RNA-seq数据的准确性，研究人员选择了17个参与热应激、木质素积累、抗氧化和ABA分解等通路的DEGs，利用qRT-PCR检测其在三个不同阶段花柱样本中的表达水平。qRT-PCR结果分析显示，每个DEG在三个不同阶段花柱中的上调或下调趋势与RNA-seq分析结果一致，表明转录组数据结果准确可靠。

本研究系统揭示了百香果柱头弯曲运动的分子调控机制。研究表明，花柱固有的S形弯曲减弱可能与其空间弯曲运动相关。木质素积累通过增强花柱机械强度，减弱了固有的S形弯曲程度。热刺激可能作为潜在的环境调节因子，通过上调热激蛋白表达参与花柱弯曲运动的启动。植物激素ABA、JA、GA和BRs通过复杂的代谢网络协同调控这一过程。研究提出了"热-HSP-激素-木质素"轴的工作假说：百香果开花后，花柱受环境热因子刺激，可能激活HSPs及其分子伴侣的上调，使ABA、GA、JA和BRs等内源信号通路在花柱中发挥作用。在内源激素介导下，木质素生物合成途径相关基因被诱导上调，导致木质素积累和花柱本身S形弯曲程度减小，最终形成花柱自上而下的空间弯曲运动。

该研究不仅阐明了百香果柱头弯曲运动的分子机制，为通过分子育种改善百香果授粉效率、提高产量提供了新视角，而且为其他具有类似雌雄蕊异位特性的作物研究提供了重要参考。未来研究需通过表型和生理分析关联内源激素水平、木质素积累和弯曲动力学，阐明HSP-激素相互作用及其对木质素生物合成途径的调控效应，明确温度-激素-木质素模块如何协调花柱弯曲运动。这些研究将为热带作物生殖生物学和作物改良提供重要理论基础。