中国樱桃果实发育双S形模式调控机制解析：生理与转录组整合研究

《BMC Plant Biology》：Insights into double sigmoid pattern during Chinese cherry fruit development through comparative physiological and transcriptomic profiles

本研究针对中国樱桃果实尺寸调控机制不清的产业瓶颈，通过比较生理学与转录组学分析，揭示了双S形生长曲线与细胞分裂/扩张的关联规律。研究发现IAA、GA3、ZR等激素在SI期显著促进大果型材料细胞增殖，并鉴定出CpCDKB2;2、CpPAT14、CpARF6等关键调控基因，为分子育种改良果实大小提供了理论依据。

　　

中国樱桃（Cerasus pseudocerasus）作为起源于中国的蔷薇科重要果树，其栽培历史超过3000年，但因单果重仅2~3克的小果劣势严重制约产业化发展。果实尺寸是影响市场价值与经济效益的关键性状，然而其调控机制长期不明。以往研究表明，蔷薇科果树如甜樱桃、桃等存在双S形果实生长模式，但细胞分裂与细胞扩张在尺寸决定中的贡献比例存在争议，且中国樱桃相关分子调控网络尚未系统解析。

本研究以大果型材料“红妃”（HF）和小果型材料“浦江红花”（PJHH）为对象，追踪果实发育全过程，结合细胞学参数测量、内源激素动态检测及多时间点转录组测序（36个文库），首次揭示中国樱桃果实发育遵循典型双S形模式：S_I期（花后快速生长期）以细胞分裂与扩张共同驱动果实增大，S_II期（成熟前快速生长期）则以细胞扩张为主导。线性回归分析表明，果重与细胞数量（R²=0.9913）和细胞体积（R²=0.9616）均极显著正相关，且细胞数量的贡献权重更高。

关键实验方法

研究通过石蜡切片技术量化细胞数与体积，利用酶联免疫吸附测定（ELISA）动态监测IAA、GA₃、ZR、BR、ABA五种激素含量，基于MGI2000平台进行转录组测序（参考基因组CNP0006741），采用edgeR软件筛选差异表达基因（DEGs），并通过RT-qPCR验证候选基因表达模式。

果实发育的生理特征

六种代表性种质果重变异范围为1.45~6.08克，相关分析显示果重与果径、细胞数、细胞体积均显著正相关（图1B）。双S形生长曲线中，S_I期纵向生长主导，S_II期横向扩张加速（图2B-C），HF的细胞数在S_I期增幅显著高于PJHH（图2D）。

大果与小果材料的生理比较

激素动态显示，IAA、GA₃、ZR在S_I期均于HF中积累更快（图3A-C），其中GA₃在HF的S₆~S₈期持续上升而PJHH下降，暗示其对细胞扩张的调控作用。ABA在PJHH多数时期显著高表达（图3F），可能抑制果实膨大。

转录组分析揭示调控网络

共鉴定8,938个DEGs，GO富集分析显示S_I期差异基因显著富集于细胞周期、细胞分裂及细胞分裂素代谢通路（图S2）。聚类分析进一步表明，细胞分裂素与脱落酸信号通路相关基因（如ARRs、ABCBs）在HF的S₃期显著上调（图7）。

细胞周期相关基因表达模式

63个细胞周期相关DEGs中，CpCDKB2;2在PJHH的S_I期高表达，可能负调控细胞分裂；CpPAT14（S-酰基转移酶）在HF的S_II期显著上调，促进细胞扩张（图4）。RBR（视网膜母细胞瘤相关蛋白）在HF中先降后升，与细胞周期重启同步。

激素代谢与信号通路基因

auxin合成基因CpYUCCA10与转运基因CpLAXs在HF的S₃期高表达（图5）；GA降解酶CpGA2oxlike在PJHH持续上调，抑制活性GA积累（图6）；细胞分裂素激活基因CpLOG1与信号元件CpARR5like在HF的S_I期优势表达（图7），协同促进细胞增殖。

候选基因验证

RT-qPCR验证16个基因（如CpGH3.1、CpARF6、CpIAA6like）的表达趋势与转录组数据一致（图8），证实数据可靠性。

结论与意义

本研究系统解析了中国樱桃果实尺寸的调控框架：双S形生长模式由细胞分裂（S_I期）和扩张（S_II期）共同决定，auxin、GA、CTK通过调控细胞周期核心基因（如CDKs、Cyclins）及激素信号元件（如ARFs、ARRs）影响最终果大小。提出的分子育种策略——过表达正调控基因（CpPAT14、CpARF6）或敲除负调控基因（CpCDKB2;2、CpGA2oxlike）——为培育大果型新品种提供了直接靶点，对提升中国樱桃产业竞争力具有重要实践价值。