梨（Pyrus）是我国乃至世界范围内重要的水果之一，由于其脆甜可口，深受消费者们的喜欢。梨果实品质高低决定于多种因素，其中一类特殊的木质化细胞-石细胞便是重要的因素之一，过多石细胞的存在造成梨果肉质地粗造、口感低劣，即使在没有任何明显生物和非生物胁迫情况下，健康的梨果实在发育过程中也会出现“不寻常的木质化”，且石细胞在梨果实中呈规律性的放射状分布，集中于果核附近。为什么石细胞出现在梨果实中并呈放射状分布，其根本原因是什么还不清楚。近年来，多组学分析等技术已被广泛应用于作物复杂性状的研究中，这为阐明“梨果实石细胞分布差异”原因提供了新的思路。

近日，国际期刊The Plant Journal在线发表了南京农业大学题为 “Multi-omics analyses reveal the difference of stone cell distribution in pear fruit”的文章，该研究结合表型组、转录组、蛋白组和代谢组等多组学分析，构建了梨果实内石细胞与维管束的分布规律模型，发现一个关键转录因子PbbZIP48参与石细胞形成的调控过程，在多组学水平上为解析梨果核附近细胞木质化形成石细胞的机制提供了新的见解。

该研究首次针对梨果实，基于表型研究方法，通过高斯滤波去噪和标签聚类提取100个梨品种切片并对石细胞进行标记，将所有品种的石细胞确证定位于果核附近；经过RGB颜色空间变换，发现维管束与石细胞的分布模式相同；结合k-means算法计算出石细胞与维管束之间的距离，发现距离维管束5mm处的石细胞数量占总石细胞数量比例为99.34%。表明，梨果核附近分布的大量维管束组织，可能为细胞壁的加厚及石细胞的形成提供次生代谢产物。

图1 梨果实石细胞和维管束组织表型分析

同时，将盛花后15、35和55天梨果肉组织分为石细胞富集区和非富集区进行转录组、蛋白组和代谢组分析，发现蔗糖、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙素生物合成途径的基因转录、蛋白质丰度和代谢物积累有助于果核附近木质素沉积和石细胞形成。

图2 梨果实转录组、蛋白组和代谢组联合分析

通过共表达网络和基因表达模式分析，发现一个关键转录因子PbbZIP48，该转录因子基因在果核附近高度表达，在梨果实中瞬时过表达能够促进木质素合成及PbC3H1和PbCCOMT2基因表达。此外，在拟南芥稳定超表达PbbZIP48基因，导致其茎中木质素显著积累，增加了导管、木质纤维和维管束间纤维细胞壁厚度，并伴随着木质素生物合成结构基因表达量的提高；与此同时，双荧光素酶和EMSA凝胶迁移研究显示，PbbZIP48通过与PbC3H1和PbCCOMT2启动子区域的G-box（ACGTG）基序结合促进两者表达量上调。

结果表明，PbbZIP48通过激活PbC3H1和PbCCOMT2的转录促进了果核附近薄壁细胞的木质化，导致石细胞的大量形成，初步解析了石细胞在梨果实中分布差异性的分子调控机制。

图3 PbbZIP48上调木质素生物合成基因表达促进细胞壁木质化

该研究依托南京农业大学园艺学院/梨工程技术研究中心完成，贡鑫博士为论文的第一作者，张绍铃教授和陶书田教授为共同通讯作者。该小组2002年以来长期从事果品品质发育生理及调控技术、木质素合成及石细胞形成机理与调控、木质素生物学研究，2009年通过多谱学方法确证梨果实石细胞木质化的本质，开始以木质素代谢为切入点研究石细胞的形成与调控机制。参与研究的还有南京农业大学齐开杰、谢智华副教授，在读博士生赵粱怡和严鑫以及加拿大农业及农业食品部Shahrokh Khanizadeh研究员。本研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，新疆生产建设兵团南疆重点产业支撑计划项目等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/tpj.16073