Nature Plants | 北大农研院李博生团队构建辣椒发育时空图谱，提出层状模式转录因子调控果实代谢空间分区

辣椒的“辣”和“红”，分别来自辣椒素和辣椒红素。过去，人们已经较为清楚这两类重要代谢物的生物合成通路，但仍难以回答一个更具空间属性的问题：为什么辣椒素主要在胎座相关腺体区域积累，而辣椒红素则主要在果皮中沉积并赋予果实红色，而不是均匀分布于整个果实？

近日，北京大学现代农业研究院李博生研究员团队在Nature Plants发表题为“Laminar patterning transcription factors orchestrate spatial metabolite partitioning inCapsicumfruit”的研究论文。该研究整合单核转录组与空间转录组技术，构建了覆盖辣椒多个器官和发育时期的高分辨率时空图谱，共解析来自57个样本、332,468个高质量细胞，系统揭示了辣椒多种器官中层状组织结构与代谢功能分区之间的关系，并提出层状模式转录因子（Laminar Patterning Transcription Factors, LPTFs）这一概念，阐明其在辣椒素和辣椒红素空间分区积累中的重要作用。

辣椒是全球重要的蔬菜和调味作物，其果实中积累的辣椒素赋予辛辣风味，辣椒红素则决定成熟果实的鲜红颜色，并作为天然色素广泛应用于食品和化妆品产业。长期以来，人们已对辣椒素和辣椒红素的合成酶、关键基因及部分调控因子进行了较为深入的研究；然而，这些代谢物为何在果实中呈现特定的空间分布，又是如何被组织到特定组织区域中的，仍缺乏细胞和空间尺度上的解释。

为回答这一问题，研究团队以辣椒自交系CA59为材料，系统采集了从幼苗到成熟果实的多个组织和发育阶段，包括根、茎、叶、花器官以及0、7、10、16、25、35和45 DPA (开花后天数)等多个果实发育时期。通过单核转录组获取细胞类型信息，再结合空间转录组保留细胞在组织中的位置信息，研究团队建立了Pepper Cell Atlas (http://Pepper-Cell-Atlas.com)，为解析辣椒器官发育、组织分层和代谢分工提供了重要资源。

图1 辣椒发育时空单核与空间转录组图谱

研究发现，辣椒多个器官并不是由均一细胞简单堆叠而成，而是具有清晰的层状组织结构。叶片中，上表皮、下表皮、栅栏组织、海绵组织和维管组织具有不同表达特征；花器官中，萼片、胎座和子房壁也呈现空间有序的层级分化；果实中，外果皮、中果皮、内果皮以及胎座腺体进一步形成与代谢功能密切相关的空间分区。

值得注意的是，本研究最重要的概念贡献之一，是将“层状介观结构”从传统解剖学意义上的组织分层，提升为理解果实品质形成的功能单元。这里的“介观”，指的是介于单个细胞和完整器官之间的空间尺度；“层状”，则强调一群在位置上相邻、表达程序上相似、功能上协同的细胞层。换言之，果实品质并不是由某一个基因或某一个细胞单独决定，而是在特定组织层中，由细胞群、代谢通路和调控因子共同组织形成的。层状介观结构的意义在于，它把“组织结构”和“代谢品质”直接连接起来，不同组织层可以分别承担能量和碳源供给，代谢物合成和储存，提供代谢前体和完成高强度合成等功能。由此，研究从“哪些基因参与代谢”进一步推进到“这些基因在哪一层、由哪些细胞、在什么发育阶段共同发挥作用”。

在“辣椒为什么会辣”这一问题上，研究团队发现，辣椒素生物合成并不是由单一细胞群独立完成，而是依赖胎座腺体内部不同细胞亚群的层级分工。胎座腺体可进一步分为前代谢腺体、亚腺体薄壁组织和代谢活跃腺体，分别对应辣椒素合成启动前状态、前体支持和高水平辣椒素合成等状态。

图2 胎座腺体层级分工驱动辣椒素合成

在这一层级结构中，辣椒素合成相关基因CS、KAS、BCAT和COMT等主要富集于代谢活跃腺体。进一步分析显示，MYB31和WRKY9与辣椒素通路基因在空间定位和发育动态上高度一致，提示它们可能作为胎座腺体中的层状调控因子，参与辣椒素合成程序的局部激活。这一发现有助于理解辣椒素为何在果实中呈现特定空间积累，而不是在整个果实中均匀产生。

在“辣椒为什么会红”这一问题上，研究团队进一步解析了外果皮内部的层状代谢分工。结果显示，辣椒红素及相关类胡萝卜素合成基因在果实转色和成熟阶段显著富集于外果皮特定区域。外果皮并非单一功能组织，而是可以进一步分为叶绿薄壁组织和储藏薄壁组织：前者更偏向光合作用、能量和碳源供给，后者则富集辣椒红素合成和储存相关基因。

图3 外果皮层状代谢分工与辣椒红素空间积累

在此基础上，研究团队筛选到一类具有层特异表达特征的转录因子，并将其定义为层状模式转录因子（LPTFs）。与传统意义上仅从通路角度理解的调控因子不同，LPTFs强调转录调控的空间属性：它们并非简单地在整个器官中普遍发挥作用，而是在特定组织层内与功能基因共同表达，从而参与决定这一层细胞的身份、功能和代谢输出。

研究进一步鉴定出WRKY6、ZAT10和BTF3等与辣椒红素合成密切相关的LPTF候选因子。空间表达结果显示，这些转录因子与CCS等类胡萝卜素合成关键基因在外果皮特定区域共定位。通过病毒诱导基因沉默实验，研究团队发现沉默WRKY6、ZAT10或BTF3后，辣椒果实红色着色减弱，并伴随辣椒红素含量下降。酵母单杂交和双荧光素酶实验进一步支持ZAT10可作用于PSY1启动子，BTF3可作用于CCS启动子，提示这些因子参与外果皮中辣椒红素合成程序的局部调控。

图4 层状模式转录因子调控辣椒红素合成

这一结果表明，层状模式转录因子可能是连接“空间结构”和“代谢通路”的关键节点。具体而言，层状组织为代谢分工提供空间框架，而LPTFs则像定位在特定层中的“转录调控节点”，将代谢通路精准激活在适合的细胞层中。对于果实品质研究而言，这一概念具有重要意义：未来的作物改良不只是提高某个基因的整体表达，还可以通过调控特定组织层中的转录网络，实现对风味、色泽和营养品质的空间定向优化。

值得关注的是，研究团队并未将这一框架局限于辣椒本身，而是进一步将分析拓展到番茄果实、玉米愈伤组织、小麦籽粒以及部分动物组织中。跨物种分析共识别出365个高置信度LPTF候选因子，提示层状模式转录因子所代表的空间受限调控机制，可能并非辣椒果实中特有，提示这种空间限位的转录调控逻辑，可能在不同层状组织中具有更广泛的适用性。

图5 跨物种预测层状模式转录因子揭示潜在保守调控逻辑

综上所述，该研究建立了覆盖辣椒发育全过程的高分辨率单核与空间转录组图谱，揭示了辣椒器官内部层状组织如何组织细胞功能分化，并进一步塑造辣椒素和辣椒红素的空间特异积累。该研究不仅为辣椒发育和果实品质形成提供了重要数据资源，也提出了“层状介观结构—层状模式转录因子—代谢空间分区”的概念框架，为理解植物器官中代谢物如何被空间组织起来提供了新的理论视角。从应用角度看，这一研究为辣椒品质改良提供了新的方向。未来，通过精准调控特定组织层中的LPTFs及其靶基因，有望在不影响整体器官发育的前提下，对辣椒辛辣程度、果实着色和天然色素积累进行更有针对性的遗传改良。

北京大学现代农业研究院李博生研究员为该论文通讯作者。北京大学现代农业研究院科研助理韩静、唐亚萍副研究员、岳智亮副研究员、科研助理冀文君、科研助理耿珂莹和科研助理杨恒加为论文共同第一作者。北京大学现代农业研究院王旭研究员、中国农业大学李继刚教授、华南农业大学朱张生副教授和新疆农业科学院杨生保研究员对该研究提供了重要指导与支持。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金、山东省农业良种工程重点研发项目、新疆维吾尔自治区重点研发项目、泰山学者计划和鸢都学者计划等项目资助。

李博生博士现为北京大学现代农业研究院研究员、作物分子育种和细胞生物学实验室主任、单细胞和单分子公共分析平台主任。课题组主要围绕作物重要农艺性状相关器官的分化发育、细胞再生、单细胞组学、空间组学和纳米孔测序技术开展研究。因课题组和平台发展需要，长期欢迎对相关研究方向感兴趣的学生、科研人员和访问学者加入。联系方式：

bosheng.li@pku-iaas.edu.cn

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02293-w