bHLH与非MIXTA MYB基因协同调控黑种草花瓣短毛与长毛的进化机制

本研究为解决植物花瓣表皮突起细胞（CCs、STs、LHs）的差异与演化机制问题，通过整合形态学、转录组与功能实验，揭示Nigella damascena中STs与LHs由MBW复合物-GL2模块协同调控，而CCs依赖MIXTA独立发育。发现STs作为“微型支柱”维持唇瓣开放以促进传粉，且LHs与STs分别通过独立招募TT8与MYB5-2基因演化而来，为植物表皮细胞分化与适应性进化提供了新见解。

　　

在被子植物中，花瓣表皮的特化结构——如锥形细胞（conical cells, CCs）、毛状体（trichomes）和长毛（long hairs, LHs）——不仅赋予花朵视觉与触觉的多样性，更在传粉生态中扮演关键角色。然而，这些突起细胞在形态、发育机制与演化起源上的关系始终模糊不清。尤其当多种类型细胞共存于同一花瓣时，其分化调控与功能协同机制成为植物发育生物学的重要谜题。

黑种草属（Nigella）植物为这一研究提供了独特模型：其花瓣同时具备CCs、短毛（short trichomes, STs）与长毛（LHs），且分布模式具高度特异性。此前研究表明，STs可能通过维持唇瓣开放、过滤花粉或防止盗蜜等行为提升传粉效率，但缺乏直接实验证据；而LHs的功能亦未明确。更引人深思的是，这些细胞类型在演化史上先后出现——从基部物种Nigella integrifolia的均一毛状体，到衍生物种中分化的STs与LHs，这一形态创新背后的分子机制更是未知。

为解决上述问题，研究人员以Nigella damascena为核心材料，结合比较形态学、细胞学、转录组学、基因功能验证及传粉实验，系统揭示了STs与LHs的发育调控网络与生态功能，并追溯了其演化路径。该研究于2025年9月18日发表于《Nature Communications》。

研究主要采用以下技术方法：1）扫描电镜与半薄切片进行细胞形态观测；2）核体积测量与流式细胞术分析ploidy水平；3）跨发育阶段及花瓣分区的数字化基因表达谱（DGE）分析；4）mRNA原位杂交定位基因表达；5）病毒诱导基因沉默（VIGS）验证基因功能；6）熊蜂传粉行为实验评估生态功能；7）系统发育分析追溯基因演化。

细胞特征揭示三类突起细胞的显著差异

通过微观形态与细胞学观测，研究发现CCs、STs与LHs在形状、长度、数量、分布模式、核大小及ploidy水平上均存在显著差异。

STs数量中位值达1026，远超LHs（55），而长度仅为LHs的十分之一（STs中位长度118.87μm vs LHs的1180.48μm）。核体积与流式分析表明STs与LHs经历内复制，ploidy达4C或8C，而CCs与铺地细胞（PCs）均为2C。

发育时序与表达谱筛选候选基因

毛发发育时序显示LHs始于S6阶段而STs始于S10。

通过发育阶段与分区表达谱分析，推定NidaMIXTA调控CCs，而STs与LHs的形成依赖MYB-bHLH-WDR（MBW）复合物-GL2模块：STs需要NidaMYB5-1、NidaGL3、NidaTT8与NidaGL2，LHs需要NidaMYB5-1/-2、NidaGL3与NidaGL2。

MIXTA与GL1同源基因功能验证

原位杂交与VIGS实验表明，NidaMIXTA仅在CCs区域表达，敲低后仅影响CCs角质层发育而不干扰STs/LHs。

NidaGL1同源基因敲低无表型变化，说明其不参与LHs形成。相反，NidaGL2与NidaGL3在STs与LHs中特异表达，敲低导致二者数量减少、长度缩短，且NidaGL3敲低表型更剧烈（LHs完全消失）。

TT8与MYB5s基因决定细胞命运特异性

NidaTT8在STs中特异表达，敲低导致STs缺失或极短，且与NidaGL3双敲除使STs与LHs完全消失。

NidaMYB5-1敲低使STs完全缺失、LHs变短，而NidaMYB5-2单敲无影响，但双敲导致花瓣近乎无毛。表达调控网络分析显示NidaGL2位于MBW复合物下游，且NidaLMI1可能作为上游激活因子。

STs作为“微型支柱”促进传粉访问

传粉实验发现，野生型花朵中熊蜂能顺利打开唇瓣获取花蜜。

而在STs缺失的VIGS处理花中，熊蜂（无论初次或经验个体）均无法打开闭合唇瓣，访问成功率显著降低。结果表明STs通过支撑唇瓣开放促进传粉者访问，LHs则作用不显著。

毛发演化机制源于基因共选与表达模式优化

对比基部物种N. integrifolia，其花瓣毛发分为T1Hs与T2Hs，分别对应LHs与STs祖先类型。

演化分析表明，STs与LHs的分化源于独立共选事件：TT8被招募至STs调控程序，MYB5-2被招募至LHs程序，随后表达模式细化驱动细胞形态分化。

该研究首次在同一系统中系统性比较了花瓣三类突起细胞的发育与演化机制，突破了过去认为MIXTA基因普适调控所有突起细胞的传统认知，揭示了MBW-GL2模块在花瓣特化毛状体形成中的核心作用。同时，通过功能实验证实了STs的生态适应意义——作为机械支撑结构促进传粉，为植物形态创新与生态功能耦合提供了经典案例。从演化发育视角看，基因共选（co-option）与表达模式优化可能是植物表皮细胞多样性进化的重要机制。