PBJ | 南京农业大学梨创新团队揭示葡萄糖响应的梨果实细胞木质化形成石细胞的调控机制

梨（Pyrus）是世界上重要的温带水果作物，其中亚洲梨约占全球梨总产量的70%，但其果肉中含有较多石细胞（stone cells），影响了果实的口感。石细胞由薄壁细胞经次生细胞壁增厚和木质素沉积形成，过高的石细胞含量会降低消费者接受度和加工适性。因此，阐明石细胞木质素生物合成的调控机制对梨果实品质遗传改良具有重要意义。木质素生物合成受多种转录因子协同调控，同时也是一个整合发育程序与环境、代谢信号的精密过程，其中葡萄糖既作为碳源前体，又作为信号分子参与调控木质素沉积的时空模式。已有研究表明，外源葡萄糖可剂量依赖性地促进梨愈伤组织和葡萄茎段的木质素积累。然而，植物细胞如何感知葡萄糖浓度变化并将其转化为木质素合成的转录指令，其分子机制尚不清楚。

SnRK1（SNF1-related protein kinase 1）是进化保守的细胞能量感受器，其活性与细胞糖状态紧密偶联，在低能量条件下被激活，在高糖条件下被抑制。已有研究表明，SnRK1可通过磷酸化特定转录因子调控木质素合成，但其在多年生果树石细胞木质化中的直接底物与调控机制此前并不清楚。TCP转录因子和R2R3-MYB转录因子也参与调控木质素生物合成，但TCP蛋白是否作为SnRK1的磷酸化底物来转导葡萄糖信号，以及它们如何与MYB调控因子协同作用，仍有待阐明。

近日，南京农业大学梨创新团队在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为PbSnRK1-Mediated Phosphorylation of PbTCP13 Regulates Glucose-Responsive Lignin Biosynthesis via PbMYB11 During Pear Stone Cell Formation的研究论文。该研究揭示了能量感受器PbSnRK1通过磷酸化转录因子PbTCP13，调控其与木质素合成激活因子PbMYB11的相互作用，从而构成一个受葡萄糖浓度精细调控的分子开关，为理解果树次生细胞壁代谢的能量-碳分配偶联机制提供了新见解。

该研究首先证实葡萄糖对梨果实木质素合成存在特异性的剂量依赖性调控效应，且这一过程依赖能量感受器 PbSnRK1 介导；PbSnRK1 对木质素合成发挥葡萄糖浓度依赖的双向调控作用，低糖条件下促进木质化、高糖条件下抑制该过程，该功能严格依赖其自身激酶活性。进一步研究鉴定出 Class I 亚家族转录因子 PbTCP13 是 PbSnRK1 的直接互作蛋白，PbTCP13 是木质素合成的负调控因子，可直接结合木质素关键结构基因PbCCR1的启动子并抑制其转录；PbSnRK1能够磷酸化PbTCP13的Ser265保守位点，在低糖条件下促进其通过26S蛋白酶体途径降解，高糖条件下PbSnRK1活性受抑制，PbTCP13蛋白则稳定积累。

通过转录组数据与加权基因共表达网络分析，研究团队锁定 R2R3-MYB 转录因子PbMYB11为木质素合成的正调控因子，它可结合PbCCR1启动子激活转录，与PbTCP13功能拮抗，且二者存在直接物理互作、形成抑制子-激活子复合体。后续遗传上位性实验明确了三者的信号级联上下游关系：PbSnRK1 作用于通路上游，通过调控 PbTCP13 的蛋白稳定性，进而控制 PbMYB11 的转录活性，最终调控木质素结构基因的表达；该模块构成了响应葡萄糖浓度的分子开关，将高耗能的木质素代谢与细胞碳能状态精准偶联，确保木质素沉积匹配果实不同发育阶段的能量供给水平。

葡萄糖-PbSnRK1-PbTCP13-PbMYB11模块调控梨石细胞木质素合成

综上所述，该研究首次在分子层面阐明了葡萄糖信号剂量依赖性地控制果树次生细胞壁代谢的机制，实现了能量感知与木质素合成的直接耦联，为解析肉质果实中碳分配与次生细胞壁沉积的协调机制提供了重要范例。

南京农业大学博士生何嘉楠为论文第一作者，王旭旭、Abdul Basit、李文、晁佳慧、赵文宇、牛明旭、严鑫、于园辉等参与了本研究，陶书田教授为通讯作者，南京农业大学张绍铃院士指导相关工作，日本名古屋大学Katsuhiro Shiratake博士、加拿大EIM科技Khanizadeh Shahrokh博士协助开展相关工作。该研究得到江苏省重点研发计划、江苏省研究生科研创新计划、国家现代农业产业技术体系（梨）、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70770