Science Advances | 月季花瓣何时脱落？中国农业大学高俊平团队发现“双重保险”分子开关

近日，中国农业大学高俊平团队在Science Advances发表题为The RhMPK3-RhLOB41-RhWRKY9 module orchestrates ethylene-induced petal abscission via dual control of ROS homeostasis in rose的研究论文，揭示了乙烯通过“磷酸化-自噬”级联通路精准启动月季花瓣脱落的分子开关，回答了“脱落如何被抑制、又如何被解除”这一领域内长期关注的核心科学问题。

植物器官脱落不仅是物种繁衍与传播的重要策略，也深刻影响农业生产。人类在长期作物驯化中，不断选择理想的脱落特性——解决了禾本科落粒、棉花落铃、豆类提前开荚等问题，显著减少了产量损失。月季是全球重要的观赏作物，花瓣的适时脱落直接关乎其商业与观赏价值。若落得过早，瓶插寿命大打折扣；若衰老后不能及时脱落，残花挂在枝头，既影响视觉美感，又为灰霉病提供温床，破坏庭院环境。那么，植物究竟如何精准掌控这一“断舍离”的关键时刻？这是该研究致力于回答的科学问题。

活性氧（ROS）作为关键信号分子，早已被证实参与促进植物器官脱落。在脱落前期，植物离区ROS维持在低水平；进入脱落执行阶段后，ROS发生急剧跃升，触发不可逆的细胞分离。然而，植物如何在特定发育节点精准地打破ROS稳态，实现从“平衡”向“失衡”的快速转变，一直是植物生物学领域关注的重要问题。

双重功能转录因子：同时“踩油门”与“松刹车”

该研究发现，月季采用了一个双重功能的转录因子RhWRKY9，确保花朵开放到一定阶段时，离区发生ROS爆发式积累。RhWRKY9一方面直接抑制ROS清除基因 RhCAT2 的表达，减少ROS清除（相当于松开“刹车”）；另一方面直接激活ROS生产基因 RhRBOHD 的表达，增加ROS生成（相当于踩下“油门”）。这一“一石二鸟”的策略，在月季花瓣离区引发了一场剧烈的ROS爆发。当ROS水平突破临界阈值后，细胞壁降解酶被激活，最终驱动细胞分离、花瓣脱落。该双重调控机制通过抑制清除与促进产生的双向策略，驱动离区ROS水平快速跃升，突破执行脱落所需的阈值，使进程走向不可逆——这便是“落花不回头”的分子基础。

谁在抑制脱落？抑制又是如何被解除的？

植物器官只有发育到特定阶段才会发生脱落。那么，在此之前，谁来抑制 RhWRKY9 的表达以避免过早脱落？该研究发现，转录因子RhLOB41正是这一“保险栓”——它通过转录抑制 RhWRKY9 的表达，使离区ROS维持在低水平的生理稳态。该结果直接证实了“脱落启动存在抑制子”这一经典假说。

那么，植物响应到特定发育或环境信号后，又如何迅速拔掉这一“保险栓”？该研究揭示了一条完整的磷酸化-自噬级联激活通路：月季花瓣开放过程中乙烯含量上升，激活蛋白激酶RhMPK3；RhMPK3在RhLOB41蛋白的第30位丝氨酸上添加磷酸基团，这一磷酸化修饰如同为RhLOB41贴上了“回收标签”，引导其通过细胞自噬途径被降解。一旦“保险栓”被拔除，被抑制的RhWRKY9便恢复转录活性，正式拉开脱落的大幕。

图：RhMPK3-RhLOB41-RhWRKY9模块通过双重调控ROS稳态介导乙烯诱导花瓣脱落模型

综上所述，该研究从蛋白磷酸化和转录调控两个层面，系统解析了乙烯通过“油门-刹车协同”的双保险模式驱动月季花瓣不可逆脱落的完整分子机制。研究发现，乙烯并非单向激活ROS爆发，而是通过磷酸化-自噬通路精准“拔除”抑制子RhLOB41，从而释放双重功能转录因子RhWRKY9，实现对ROS产生与清除的同步调控，推动离区ROS稳态由“平衡”向“失衡”的不可逆转变。该研究揭示了植物激素通过翻译后修饰精细调控ROS稳态的时间窗口机制，不仅回答了“脱落抑制因子如何被快速解除” 这一长期关注的重要科学问题，更为月季抗衰老耐贮运种质的定向改良提供了全新的分子靶点与理论基础。

中国农业大学园艺学院已毕业博士生张冰洁、肖月、刘洋为该论文的共同第一作者，江云鹤副教授与高俊平教授为共同通讯作者。美国加州大学戴维斯分校Cai-Zhong Jiang教授在研究思路和论文写作等方面提供了重要指导；中国农业大学马超教授、孙小明副教授、陈昶曦副教授参与了此项工作。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金联合基金（粤深）和深圳市优秀科技创新人才培养项目的资助。

高俊平教授带领的月季创新团队长期以月季为研究对象，围绕切花采后品质形成与保持机制持续开展系统深入的探索。团队已建立较为完善的月季功能基因组研究平台，覆盖抗衰老种质资源挖掘与评价、参考基因组绘制、基因与分子标记挖掘、调控网络解析及分子育种等多个层面。近年来，团队在月季花朵品质形成机制（Nature Communications, 2023; Plant Cell, 2021）和采后品质保持机制（Nature Communications, 2025; Plant Cell, 2020, 2021, 2024）等方面取得了一系列重要进展。该研究构建了乙烯信号—蛋白磷酸化—ROS稳态调控之间的调控链条，是团队在月季花朵品质调控领域持续深耕的又一新进展。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6821