Plant Com | 黄瓜的“刺”从何而来？中国农大任华中/刘兴旺团队揭示多细胞表皮毛从头建成的四级转录接力

近日，中国农业大学园艺学院任华中、刘兴旺课题组Plant Communications在线发表了题为The CsGL3-CsERF22-CsTBH-CsMYS1 pathway governs multicellular trichome development from initiation to maturation in cucumber的研究论文。该研究通过正向遗传学及反向遗传学手段，揭示了四个转录因子CsGL3、CsERF22、CsTBH和CsMYS1构成一条逐级激活的核心调控通路——它们像接力赛一样依次驱动黄瓜多细胞毛状体从单个表皮细胞起始、增殖堆叠，直至分化为成熟的功能性腺毛或非腺毛。这一结果系统揭示了多细胞表皮毛从头建成的转录调控框架，为作物抗性改良和次生代谢产物利用提供了新靶点。

多细胞表皮毛是植物体表重要的特化微器官，通过物理结构（非腺毛）和化学防御（腺毛）两条路径抵御害虫、病原菌、强光及重金属等逆境胁迫。在发育生物学层面，多细胞表皮毛的从头建成是理解“单个细胞如何发育为具有特定形态与功能的多细胞微器官”这一核心问题的理想模型。然而，尽管拟南芥气孔发育中SPCH-MUTE-FAMA转录级联已被系统解析，多细胞表皮毛早期发育阶段的关键调控因子却长期缺失，从单个表皮细胞到功能化多细胞结构的完整转录调控网络尚未建立。

该研究聚焦的核心科学问题是：黄瓜多细胞毛状体如何从单个表皮细胞逐步发育为具有特定结构与功能的成熟表皮毛？具体而言，这涉及三个层面——表皮毛起始：单个表皮细胞如何被指定为毛状体前体细胞？形态建成：毛状体突起如何经过多轮细胞分裂堆叠为多细胞结构？类型分化：堆叠后的多细胞结构如何分化为腺毛或非腺毛？此前已知CsGL3和CsTBH分别参与毛状体起始和形态建成，但中间环节缺失，调控网络不完整。

在黄瓜生产中，表皮毛（尤其是果实表面的刺毛）是重要的商品品质性状，直接影响果实外观与商品价值。非腺毛构成的物理屏障可有效抵御害虫取食和病原菌侵染，腺毛则通过分泌次生代谢产物发挥化学防御功能。解析多细胞表皮毛发育的完整调控通路，不仅为黄瓜抗虫抗病品种培育提供理论基础和基因资源，也为利用腺毛作为“细胞工厂”生产高附加值次生代谢产物提供了新的策略。

CsGL3——毛状体起始的“总开关”

敲除CsGL3后，黄瓜地上部所有组织的表皮完全光滑，未见任何毛状体突起，表明该因子决定毛状体细胞命运的最初确立。通过比较转录组和基因调控网络预测，多个下游转录因子在csgl3突变体中几乎不表达。经VIGS技术进一步筛选，CsERF22的沉默会导致表皮毛密度显著降低，暗示其可能作为CsGL3下游的关键因子调控毛状体发育。

CsERF22——从表皮突起到多细胞堆叠的关键转变者

敲除CsERF22后，表皮上虽能形成小突起，但这些突起无法进一步分裂堆叠成多细胞结构，发育就此停滞。有意思的是，cserf22突变体在宏观上看似完全无毛，但电镜下可见大量细胞突起未能发育为成熟毛状体；且在茎节和花萼边缘仍有少量成熟毛状体，暗示可能存在冗余基因的部分补偿。在分子层面，CsGL3能够直接结合CsERF22启动子上的特定DNA序列（L1盒和L1-like盒），并激活其转录；染色质免疫沉淀和双荧光素酶实验在活体水平验证了这一直接激活关系。

CsTBH——多细胞堆叠体走向功能成熟的“关卡”

在CsERF22的下游，CsTBH的表达同样依赖于CsERF22。体外和体内实验均证明CsERF22直接结合CsTBH启动子中的GCC-like box并激活其表达。敲除CsTBH后，毛状体能够形成多层堆叠的“毛毛虫”状结构，但无法进一步分化为具有腺头或尖锐顶端的成熟毛状体，发育停滞在堆叠阶段——CsTBH确实是从结构建成到功能特化所必需的“关卡”。值得注意的是，CsTBH过表达株系在正常条件下毛状体形态并无明显改变，暗示其功能可能受到严格的转录后调控机制的约束。

CsMYS1——非腺毛与腺毛命运的“裁判”

在CsTBH下游，作者筛选到一个MYB-like类转录因子CsMYS1。敲除CsMYS1后，果实表面的非腺毛（刺毛）并非简单消失，而是部分转化为具有膨大钝顶的类腺毛形态，或完全转化为长柄腺毛；叶片上的转化频率则相对较低。密度统计表明，转化后非腺毛与转化型非腺毛的总密度与野生型非腺毛密度无显著差异，支持这些长柄腺毛确实来源于非腺毛的转化。进一步研究表明，CsMYS1具有转录抑制作用，其蛋白序列中含有三个转录抑制结构域（LXLXL基序），与拟南芥同源蛋白AtMYS1的功能一致——它通过抑制腺毛发育程序来维持非腺毛的身份特性。

四因子构成直接的转录级联，遗传证据与分子证据完全吻合

研究者通过体外凝胶迁移实验、体内染色质免疫沉淀和双荧光素酶报告系统，逐一证实了CsGL3直接激活CsERF22，CsERF22直接激活CsTBH，CsTBH直接激活CsMYS1。同时，通过构建两两双突变体，验证了它们的遗传学上下游关系。双突变体分析揭示了一个清晰的遗传层级：所有含csgl3的双突变体均表现为完全无毛（CsGL3上位性）；cserf22/cstbh和cserf22/csmys1双突变体表型与cserf22单突变体相似；cstbh/csmys1双突变体则与cstbh相似。这些遗传证据与分子证据完全吻合，从而确立了该通路为一条依次的、逐级、直接的转录级联关系。

综上，本研究将四个突变体的发育阻滞点与毛状体自然发育的时序阶段一一对应：CsGL3缺失对应起始失败，CsERF22缺失对应突起后无法堆叠，CsTBH缺失对应堆叠后无法成熟，CsMYS1缺失对应成熟后类型错误。由此描绘出“CsGL3-CsERF22-CsTBH-CsMYS1”这一核心调控框架，完整揭示了黄瓜多细胞毛状体从单个表皮细胞到功能分化的核心转录调控机制。

中国农业大学博士后董明明（已出站，现为海南大学副研究员）、孙蕾和博士生王亚如（已毕业，现为崖州湾实验博士后）为论文共同第一作者，冯中轩、张雅琦、单丽、殷帅、施英琦、裴甜甜、徐一凡、赵一冰、马欣悦、薛昊等参与本研究；康奈尔大学Yiqun Weng和Ni Zhongfu为合作者，园艺学院任华中教授和刘兴旺副教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金面上项目、青年项目、国际合作项目，中国博士后科学基金面上项目，中国农业大学2115人才培育计划和111引智计划的资助。

任华中、刘兴旺课题组长期从事黄瓜遗传改良与分子调控研究，取得了一系列重要研究进展，已在Plant Cell、Plant Biotechnology Journal、Plant Communications、Journal of Advanced Research、New Phytologist、Plant Physiology、Plant Journal、Horticulture Research等国际主流学术期刊发表论文60余篇。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.102026