中国柑橘栽培已有4000多年的历史，我国柑橘种质资源变异丰富。其中柑橘株高性状表现出多样化，如有树体高大的柚、野橘等，中等的橙、橘等以及类灌木的野生柑橘资源蚝壳刺和节间短缩的酸橙等。随着现代果树栽培的发展趋势，柑橘矮化也是重要的育种目标之一。此外，“好看、营养丰富”也是柑橘育种学家们追求的重要育种目标。柑橘果实含有丰富的类胡萝卜素和花青苷，赋予了柑橘果实多彩的颜色和营养保健价值。株高与产量和品质密切相关，但柑橘中有关株高和色泽品质的交叉调控机制尚未解析。近日，JIPB在线发表了华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室/洪山实验室徐强教授团队题为“A transcriptional cascade involving BBX22 and HY5 finely regulates both plant height and fruit pigmentation in citrus”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13719), 揭示了BBX22和HY5复合体协同调控柑橘株高生长和果实色泽积累的分子机制。基于团队前期搜集的柑橘资源，通过性状比较和重测序分析，鉴定到一个特殊的节间短缩、植株矮化的酸橙材料 (Citrus aurantium)。通过基因组学分析筛选到HY5和BBX22为柑橘节间伸长和株高发育调控的候选基因。为研究BBX22的功能，利用CRISPR–Cas9技术在柑橘模式材料早花山金柑 (Citrus hindsii) 中对BBX22进行了编辑，同时在山金柑、甜橙 (C. sinensis)、马家柚 (C. maxima) 以及'MicroTom'番茄 (Solanum lycopersicum) 中过表达BBX22。结果表明，山金柑bbx22功能缺失突变体的节间伸长和株高发育受到促进，而超表达BBX22的表型与之相反。这表明BBX22在柑橘节间伸长和株高发育中发挥作用。基于转录组筛选，发现BBX22主要通过介导活性赤霉素的代谢进而调控柑橘植株的节间伸长和株高发育。对BBX22超表达材料进行外源活性赤霉素 (GA3) 处理可以恢复由于BBX22过表达导致的节间短缩和矮化表型 (图1)。![]()
图1. 外源GA3处理可恢复BBX22过表达系的节间短缩和矮化表型由于HY5和BBX22呈共表达趋势，利用BIFC、Y2H以及pull-down实验验证了BBX22蛋白能与HY5蛋白形成复合体。进一步利用LUC和EMSA实验检测到BBX22可以强烈激活但弱结合赤霉素代谢通路关键基因 GA2 OXIDASE 8 (GA2ox8)，而HY5蛋白则是强烈结合但弱激活GA2ox8，当BBX22蛋白和HY5蛋白二者形成复合体时，对GA2ox8的激活调控作用显著增强。因此，一方面，BBX22和HY5既可以单独行使调控功能，另一方面，BBX22和HY5还能形成复合体协同调控，此外，BBX22-HY5还能对HY5自身进行调控，这反映出植物体内对株高发育的精细级联调控网络模式 (图2)。有趣的是，研究团队发现BBX22转基因材料的类胡萝卜素和花青苷积累也受到了影响。实验室前期研究表明HY5是响应光调控柑橘果实花青苷积累的重要调控因子。基于HY5和BBX22的协同调控模式，作者猜想BBX22或许也介导了光调控柑橘果实色素积累。因此研究者对血橙 (blood orange) 进行了套袋处理，发现血橙果实类胡萝卜素和花青苷的积累都受到了光调控。基于转录组分析，我们发现BBX22和类胡萝卜素合成限速酶基因PSY1，以及柑橘花青苷积累的关键调控因子Ruby1具有显著共表达趋势。借助LUC和EMSA实验验证了BBX22和HY5对GA2ox8和HY5的调控模式同样适用于PSY1和Ruby1，这进一步丰富了柑橘果实类胡萝卜素和花青苷代谢的调控网络 (图2)。本研究发掘了影响柑橘株高发育和节间伸长的关键调控因子，同时它们也参与调控柑橘果实色泽积累，这为柑橘矮化育种及培育好看、营养价值高的柑橘品种提供重要的理论基础和基因资源。![]()
图2. BBX22-HY5调控柑橘植株生长发育和果实色素积累
华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士研究生付佳玲和硕士研究生廖理为该论文的共同第一作者，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室徐强教授为该论文的通讯作者，邓秀新院士和王霞研究员参与了本研究的指导工作。邓秀新院士团队硕士研究生晋佳净，徐强教授课题组已毕业博士生黄鼎、黄跃、何佳鲜，博士后徐远涛、路志浩，博士研究生胡斌、刘胜军、孙娟、宋立志，科研助理朱轶群和上饶广丰区马家柚科技研究中心高级农艺师吴方方参与该论文工作。本研究得到国家自然科学基金 (31925034)、国家重点研发计划 (2022YFF1003100)、湖北省重点研发计划 (2022BBA155) 和湖北省自然科学基金 (2021CFA017) 等项目的资助。
Fu, J., Liao, L., Jin, J., Lu, Z., Sun, J., Song, L., Huang, Y., Liu, S., Huang, D., Xu, Y., et al. (2024). A transcriptional cascade involving BBX22 and HY5 finely regulates both plant height and fruit pigmentation in citrus. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13719JIPB面向全球，刊发整合植物生物学研究的重要创新成果，包括宏观和微观领域有创新性的重要研究论文、综述、简讯、新资源、新技术和评论性文章等。2023年2年SCI_IF: 9.3，位于植物科学TOP 3.2%，SCI的Q1区。2023年Scopus数据库中CiteScore: 18.0，位于植物科学TOP 2%。JIPB位于中国科学院期刊分区生物学大类1区和植物学小类1区，中国科协《植物科学领域高质量期刊分级目录》T1级，并入选中国科技期刊卓越行动计划。
