华中农业大学博士生（现为耶鲁大学博士后），以第一作者身份发表《PNAS》

近日，华中农业大学郭文武教授和张飞教授团队在PNAS杂志在线发表最新研究成果。

1. 鉴定到调控枝刺尖端硬化的关键基因SST1

前期研究发现，柑橘枝刺顶部具有木质化特征，而基部仍然保留细胞分裂活性，顶部和基部具有明确界限。同一器官顶部-基部明显差异发育的特点，为解析刺的特异木质化提供了绝好的成对研究材料。

该研究首先通过枝刺顶部和基部比较转录组，发掘顶部优势表达基因；利用高效遗传转化系统，进行CRISPR-Cas9基因编辑筛选，获得了控制枝刺伸长和顶部硬化的关键基因SST1，其编码MYB家族转录因子（图1）。

图1. 柑橘刺尖硬化关键调控基因SST1

2. SST1特异在柑橘刺尖表达

基因编辑创制的sst1突变体具有刺短且软的特点。进一步分析显示，这些突变体的刺中木质素和纤维素含量显著下降（图1）。值得一提的是，sst1植株整体生长未受影响。其原因在于，SST1基因只特异在枝刺顶部的维管组织表达，叶片、茎杆、侧枝等均未检测到其表达（图2）。

图2. SST1特异在柑橘刺尖表达

3. SST1直接激活NST1/SND1表达，调控刺尖硬化

SST1的作用机制是什么？研究通过整合比较sst1突变体枝刺转录组及刺顶部-基部转录组数据，发现大量与木质素生物合成以及次生壁增厚相关基因受SST1调控。其中，已报道调控木质素合成与次生壁加厚的“主控开关”基因——NST1和SND1在sst1突变体显著下调（图3）。利用CRISPR-Cas9多基因编辑系统同时敲除NST1和SND1，获得的nst1 snd1双突变体枝刺变软。

图3. NST1、SND1为SST1下游基因，调控木质素和次生细胞壁生物合成

为发掘枝刺硬化过程中SST1、NST1与SND1共同下游基因，研究利用nst1 snd1双突变体枝刺进行转录组测序分析，重点关注同时满足以下条件的基因：nst1 snd1双突变体刺下调、sst1突变体刺下调、野生型刺顶部上调。这些基因与植物次生壁、木质素、纤维素生物合成与调控相关（图4）。分子生化实验证明，SST1直接结合NST1和SND1启动子。

图4. SST1直接激活NST1和SND1，调控枝刺顶部硬化

4. SST1同源基因在多个物种的枝刺中保守表达

研究还进一步揭示了植物枝刺顶部硬化分子调控机制的进化保守性。鉴定了芸香科的澳指檬、酒饼簕，紫茉莉科的三角梅以及豆科的皂角的SST1同源基因，发现这些植物的SST1同源基因都在枝刺中特异高表达（图5）。

图5. 枝刺顶部木质化的保守调控

华中农业大学柑橘团队已毕业博士生任杰（现为耶鲁大学博士后）为该论文的第一作者，郭文武教授和张飞教授为该论文的共同通讯作者。