中国农业大学黄瓜的“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，Plant Communications在线发表了由园艺学院任华中、刘兴旺课题组完成的研究论文The CsGL3-CsERF22-CsTBH-CsMYS1 pathway governs multicellular trichome development from initiation to maturation in cucumber。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，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。该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。

本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，包括三个层面：一是表皮毛起始——单个表皮细胞如何被指定为毛状体前体细胞？二是形态建成——毛状体突起如何经过多轮细胞分裂堆叠为多细胞结构？三是类型分化——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。

研究发现以下4个重要结论：

（1）CsGL3是毛状体起始的“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，研究者发现多个下游转录因子在csgl3突变体中几乎不表达，经过VIGS技术进一步筛选，发现CsERF22的沉默会导致表皮毛发生明显变化，暗示其可能作为CsGL3下游的关键因子调控毛状体发育。

（2）CsERF22负责从表皮突起到多细胞堆叠的转变。

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。深入分析表明，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。

（3）CsTBH推动多细胞堆叠体向功能性毛状体成熟。

在CsERF22的下游，研究者发现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。这说明CsTBH是从结构建成到功能特化所必需的“关卡”。

（4）CsMYS1决定非腺毛与腺毛的最终命运。

在CsTBH下游，作者筛选到一个MYB-like类转录因子CsMYS1。敲除CsMYS1后，非腺毛不再形成正常的尖顶结构，转而发育为具有球形腺头的类腺毛形态。进一步研究表明，CsMYS1具有转录抑制作用，它通过抑制腺毛发育程序来维持非腺毛的身份特性。

（5）四个因子构成直接的转录级联，遗传层级清晰。

进一步，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，验证了他们的遗传学上下游关系。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。

研究团队介绍

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，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（32573049）、青年项目（32402600）、国际合作项目（3202013014），中国博士后科学基金面上项目（2023M743808），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。