任何一個剝過柚子皮、橘子皮，擠過檸檬的人都對飛濺出來的帶著特殊香氣、具有苦麻味的精油印象深刻，它來自果皮內的油胞。柑橘油胞是植物分泌囊的一種代表類型。
此前，人們對柑橘油胞形成和發育的認知一片空白，其內部精油合成調控機制也不清楚。
2月9日，《科學》雜志以封面文章的形式發表了華中農業大學果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室、中國工程院鄧秀新院士和張飛教授課題組的最新研究成果。該研究在全球首次揭示了柑橘油胞發育和精油合成的分子基礎。
擠壓檸檬皮后飛濺精油的瞬間（龔時峰、任文武供圖）
論文評審人指出，分泌腺是許多天然產物的生產場所，該論文關注植物分泌腺形成機理，其重要性不言而喻。論文解決了一個非常重要的生物學問題，有很強的進化研究意義；油胞與防御動物、精油富集、風味形成相關，因而具有很大的農業應用價值。該研究代表了柑橘功能基因組學研究的一大進步。
意外之喜：枝刺成為研究油胞發育的利器
柑橘油胞屬于分泌囊，是橘子、橙子、黃皮、九里香等蕓香科植物的特征性結構。但柑橘等重要果樹生長周期長，受珠心胚干擾，導致很多遺傳機制研究困難重重，進展少。
在正式聚焦柑橘油胞研究之前，張飛的工作聚焦在植物發育生物學，重點在于植物器官形成和發育。
柑橘科植物的果實。張飛供圖
枝刺是張飛在美國耶魯大學做研究時就關注的。植物的枝刺由枝條變態而來，擁有枝刺對植物來說可以起到保護作用，但對人類來說卻往往造成各種麻煩。
“枝刺非常不利于嫁接和修剪，而嫁接和修剪對于有經濟價值的果樹來說，是基本的農事操作。”華中農大柑橘團隊教授郭文武長期從事柑橘細胞工程與遺傳改良研究，他創制了大量樹體矮化和抗性強的柑橘多倍體材料。
然而，這些多倍體柑橘大多枝刺粗長堅硬，不利于產業中的應用。
另一方面，近年來華中農大柑橘團隊教授徐強破解了柑橘高質量基因組圖譜，這讓柑橘從其它擁有枝刺的植物中脫穎而出，成為研究植物枝刺這一基礎問題的優良材料。
盡管如此，以柑橘為研究對象，解決枝刺發育問題，還是讓張飛課題組經歷了意外之喜。
2021年4月，張飛從耶魯大學回到華中農業大學工作，他加入了柑橘團隊，建立了柑橘功能基因組學實驗室，帶著與郭文武教授共同指導的博士生任杰繼續研究他此前關注的柑橘枝刺發育問題。
7個月后，任杰在建立了柑橘枝刺—刺尖、刺基系統的基礎上，在實驗室觀察柑橘枝刺切片時意外發現，在枝刺的不同部位存在著一個特殊結構——油胞，重復觀察后發現，枝刺基部具有油胞結構，而頂部則沒有。
柑橘油胞起始和發育分子調控通路（圖片來源：《科學》）
“我們搞研究最希望能找到成對材料。”張飛說，枝刺基部有油胞，而頂部沒有，兩者同屬一個器官，正是可以用來研究油胞發育的典型成對材料。理論上來說，只要對比兩個部位活躍的基因，就可能找到與油胞發育有關的關鍵基因。
而且，在全球研究領域，植物分泌結構的研究主要集中在分泌腺毛等“外分泌結構”，對內分泌結構——分泌囊的起始和發育的分子機制知之甚少。如果以柑橘油胞為模式系統開展研究，可以揭示分泌囊發育的機制，將為解決更復雜的植物“內分泌結構”提供重要參考，具有重要理論價值。
然而，柑橘基因組復雜，基因位點多，要想快速篩選出關鍵基因似乎并非易事。
厚積薄發：多年深耕柑橘領域
機會總是留給有準備的人。柑橘油胞對華中農大柑橘團隊來說再熟悉不過了。
上世紀80年代，廣西柳州融安縣發現并選育了無油胞自然變異的“滑皮金柑”。為了破解其無油胞突變的秘密，2017年，鄧秀新團隊就開始了無油胞突變的相關研究。幾經嘗試，博士研究生朱晨橋將10多年前從自然資源發掘到的單胚短童期山金柑材料——“迷你山金柑”與“滑皮金柑”雜交后發現，無油胞為單基因控制的隱性性狀。鄧秀新與張飛共同培養的博士研究生王紅星成功定位到無油胞突變基因所在6號染色體區間為413kb。但這個區間里有54個基因，究竟是哪個基因控制油胞發育，還需持續探索。
這一次，利用柑橘枝刺“刺基有油胞結構，而刺尖沒有”的重要信息，張飛課題組終于成功定位關鍵候選基因CsLMI1，并在基因編輯和遺傳互補實驗中，證實了該基因調控油胞發育的功能，找到了柑橘油胞發育的關鍵。
“正是在柑橘枝刺研究中‘意外’發現‘油胞’的分布的不同，加上柑橘團隊多年的研究準備，才有了這次的重大發現。這是團隊努力和集體智慧的結晶。”張飛說。
關鍵遺傳材料和柑橘枝刺模式系統。（圖片來源：《科學》）
柑橘油胞對于柑橘品質和抗性非常重要。解析其中奧秘，實現從鮮果到精油，滿足人們多元化需求，對于柑橘產業從數量擴張型到質量效益型的轉變至關重要。
所以，張飛課題組并不滿足于弄清楚油胞形成的遺傳基礎。候選基因LMI1還具有調控葉型的保守功能，在蕓香科其他植物中也能調控油胞發育。其背后調控機理是研究中又一需要解決的重要問題，而關鍵點在該基因啟動子關鍵調控元件的發掘。
課題組利用傳統研究技術始終找不到關鍵點，一度陷入困境。張飛一方面與任杰、王紅星等一起重新梳理、從頭分析，一方面結合自己所學，探索嘗試新的技術。
終于，他們利用染色質開放性測序技術，結合進化分析和啟動子編輯技術，順利找到了重要調控元件并驗證成功。以此為線索，通過基因編輯篩選到上游關鍵基因CsDRNL。再通過激光共聚焦成像和原位雜交等技術，明確了該基因的表達區域以及與油胞發育過程的聯系。至此，他們打通了上下游調控通路，精準地挖掘出了調控元件，柑橘油胞發育機理這一重要問題得以解決。
“擁抱新技術，是取得這次科研突破的關鍵。如果沒有新技術加持，可能實驗成果的得出還需要很多年。”張飛說。
從產區找答案再反哺產業
“柑橘為什么會有油胞這種特殊的分泌結構？”張飛告訴《中國科學報》，過去人們都猜測這與抗蟲有關，即通過分泌具有特殊氣味的精油驅趕咬噬柑橘的害蟲。然而從來沒有研究證明這一點。要解決這個問題，必須理論聯系實際，緊貼產業。
為了明確油胞具體能夠抗什么蟲、抗什么病，鄧秀新團隊緊密聯系廣西融安縣產區，希望當地從業者能提供準確的線索。該產區除種植有油胞的“融安金柑”外，還廣泛種植無油胞的“滑皮金柑”和“脆蜜金柑”。
然而，“反饋上來的情況得不到明確的結論。”張飛課題組決定到產區開展實地調研。鄧秀新對此次調研提出了明確要求：要看至少三個果園，從不同的方位來調查。
在收集了華中農大研究病蟲害防治的教授的建議后，張飛等人擬定了調研方案，并前往融安縣，和當地的農業農村局工作人員進行了深入交流。
這一實地調研意義重大，他們最終發現了柑橘油胞對斜紋夜蛾具有抗性，解釋了油胞的生物學意義。斜紋夜蛾是一種雜食性、暴食性昆蟲，對多種農作物危害極大。
“應用基礎研究要回答一個基本的問題，就是這個東西存在的意義什么。如果能夠找到一個確切的病、蟲來研究，對后續其他的研究就會有更大的啟發，有助于去挖掘其應用意義。”張飛說。
張飛介紹，研究結果可以指導培育無油胞新品種柑橘，提升鮮食品質，讓果實更加“好吃”。如，果皮無油胞的金柑（如脆蜜金柑）因無苦麻味的次生代謝物，成為廣受消費者喜愛的品種。另一方面，研究結果還有助于促進柑橘果皮的綜合利用，增加精油產值，讓果皮更加“好用”。
此外，這一研究發現對柑橘高質量綠色發展具有重要意義。融安金柑油胞精油具有天然抗蟲功效，弄清楚柑橘油胞發生發育和精油合成調控機制，對柑橘綠色生產減少損失和提升商品價值具有重要意義。甚至可以研制開發綠色天然的抗蟲制劑，為綠色農業添磚加瓦。
張飛憧憬道，開發果皮中的精油，是一條實現全果綜合利用、推動柑橘產業轉型的可行路徑。通過現代育種手段，培育精油產量高、質量好的品種，以及通過適當栽培措施提升精油產量和品質，能夠滿足我國實現柑橘果實多元化利用、產業高質量發展的需要。
相關論文信息：https://science.org/doi/10.1126/science.adl2953
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