2024年9月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李来庚研究员在The Plant Journal期刊发表了题为“The cellular and molecular processes of lenticel development during tree stem growth”的研究论文，揭示了皮孔在树木次生生长过程中的重要作用以及其形成过程中的细胞和代谢过程。在气孔下，当细胞分裂并分化成一种不相连的细胞结构时，皮孔发育发生。在皮孔形成过程中，特定的代谢途径和蜡的生物合成被激活。体细胞胚胎发生受体激酶（SERK）基因控制皮孔密度，serk1serk3serk5三重突变体增强皮孔起始。这些发现揭示了皮孔形成的细胞和代谢过程，为进一步阐明其在树木中的发育、功能和遗传调控的机制奠定了基础。
研
究
背
景
植物体与大气之间的气体交换途径对于植物的生长发育至关重要，之前被广泛研究的途径是气孔。在多年生乔木中，维管形成层的周期性细胞增殖和分化导致茎次生生长，使茎或根变粗，破坏茎表皮组织，导致气孔功能障碍。在双子叶和裸子植物树木中，在初生表皮被破坏后，周皮在木本茎的次生生长过程中作为最外层的组织而发育。皮孔被认为是周皮的一部分，一般认为木本茎的皮孔通常在气孔下发育，但没有研究系统地阐明皮孔发育的细胞基础。然而，皮孔对植物的生长有着重要的影响。皮孔被认为在向根部输送氧气方面具有至关重要的功能，并且皮孔细胞可能作为病原微生物渗入内部组织的门户。然而，对皮孔的重要性，以及它们在树茎次生生长过程中的发育的认识仍然有限。
# 思维导图： #根据原文整理，以原文为准，欢迎指正！ |
研
究
结
果
1.皮孔的渗透性影响了树干的生长
作者采用凡士林密封杨树茎皮孔，持续处理两个月后，观察杨树的生长状况（图1a），处理后的杨树茎高、节间长、叶片大小和叶柄长的生长速度均显著下降（图1b，1c；图S1）。此外，在封闭的皮孔上检测到肥大结构的出现（图1d，e）。这种现象可以是归因于皮孔细胞的异常增殖（图1f，1g）,在茎内观察到次生木质部发育受到抑制（图1h，1k）。这些结果表明，茎皮孔在茎的生长乃至整个植物的生长中起着至关重要的作用。作者进一步通过实验来确密封皮孔是否阻碍氧气的进入，利用qRT-PCR研究了对低氧胁迫相关基因表达的潜在影响。许多与厌氧发酵相关的基因，如ADH、PDC和ALAAT，在密封皮孔条件下的组织中表达显著上调（图1I）。结果表明，皮孔堵塞导致茎内部组织缺氧，导致无氧代谢。这证明了皮孔在促进植物生长中作为空气交换途径的基本功能。
图1. 封闭皮孔影响杨树生长
（a）凡士林处理两月后的杨树生长情况。（b，c）株高和节间长度的测量。（d，e）处理两月后皮孔形态的变化。（f，g）甲苯胺蓝染色的皮孔横切面。（h，i）用间苯三酚染色的茎的横切面。（j，k）木质部宽度和木质部细胞层数的统计。（l）处理后缺氧基因的表达。
图S1. 皮孔被封闭后，叶片发育受到抑制。
2.皮孔的形成是通过气孔区域的细胞增殖和分化
作者利用扫描电镜观察了杨树茎上皮孔的形成过程（图2a-c）。在杨树茎的第1-3节间，气孔结构下开始形成皮孔（图2，d）。在第4节间，气孔下方的细胞在气孔开口处增殖向上推，而气孔则死亡（图2b，e）。在第14节间，气孔结构被破坏，成熟的皮孔发育（图2c，f）。皮孔形成的解剖结构表明，气孔下发生了活跃的细胞分裂，新增殖的细胞失去粘附并脱落，形成了细胞间有空隙的多孔结构（图2d-f）。这些发现表明气孔和皮孔之间存在相关性，皮孔的形成始于局部细胞分裂，随后发展到气孔结构下细胞的特化。
图2. 皮孔是在气孔复合体下发育的
3. SERK基因的敲除增加了皮孔的数量
SERKs（somatic embryogenesis receptor kinases）已知可以调节拟南芥的气孔密度。在杨树基因组中鉴定出5个SERK同源物。作者利用CRISPR/Cas9技术创制了serk突变体（单突变体：serk2、3、5；双突变体：serk1serk3、serk1serk5和三突变体serk1serk3serk5）。其中三突变体对植株生长影响显著（图3a，b）。此外，在serk1serk3、serk1serk5和serk1serk3serk5突变体中发现茎皮孔数量增加（图3c，d）。通过测定皮孔块的面积，作者发现，皮孔细胞的增加与SERK基因突变的数量有关。其中三突变体皮孔面积增加最多，茎表面皮孔面积覆盖了26-38％，而野生型的皮孔面积不到2％（图3d）。serk三突变体的茎表现出较高的脱水敏感性（图3e，f）。
图3. serk1serk3serk5 突变体的表型。
作者在研究中发现，serk1serk3serk5的茎表面气孔的增加，导致形成紧密排列的皮孔结构（图4a-d）。茎上皮孔的数量与气孔的数量相关（图S9C）。综上所述，气孔的数量决定了皮孔的总量。
图4. serk1serk3serk5突变体显示气孔和皮孔增加。
图S9. serk突变体叶片表皮气孔密度增加。
（A）serk突变体的气孔数量。红色箭头表示气孔。（B）叶片表面气孔密度。（C）不同serk突变体茎表面皮孔数量与叶表面气孔数量之间存在一定的联系。
4.皮孔的发育涉及特殊的代谢和细胞壁修饰
通过透射电镜的观察，皮孔细胞形状不规则，细胞壁比周围非皮孔细胞更薄（图5a-e）。皮孔组织内的细胞失去附着力，彼此分离，导致细胞之间形成空隙（图5c）。这些空隙可以作为皮孔结构的基础，起到气体管道的作用。皮孔的化学成分显示，与周围的细胞相比，结晶纤维素含量没有显著变化（图5f）。单糖的组成发生了变化。甘露糖减少，半乳糖和木糖增加，剩余单糖的比例保持相似（图5g）。皮孔细胞如图5d所示，Sudan III染色将皮孔细胞染成橙色（图6a，b），表明与脂类和蜡等碳氢化合物富集。采用气相色谱-质谱（GC-MS）法测定了皮孔和非皮孔组织中碳氢化合物的组成。结果表明，皮孔细胞积累了大量的长链烷烃、醇和脂肪酸，包括C23、C25、C27和C29烷烃、C24、C26、C28醇，以及C20、C22、C24和C26脂肪酸（图6c）。在这些研究的基础上，作者作出假设：皮孔细胞的代谢专门用于脂质和蜡质的合成，以及细胞壁结构的修饰。
图5. 皮孔的细胞壁结构和化学组成。
图6. 皮孔中蜡的生物合成增加
作者随后对野生型皮孔组织和非皮孔组织进行了RNA-seq分析。两类组织间存在3373个差异表达基因。GO富集分析发现这些DEGs富集与细胞内运输和其他细胞过程相关的基因，并且这些过程中的大多数基因被下调（图7a-c）。KEGG分析显示，DEGs主要参与角质、木质素和蜡的生物合成的代谢活性。参与这些生物合成途径的大多数基因在皮孔组织中表达得更多（图7d，e）。qRT-PCR证实了皮孔细胞中特定代谢基因的表达增加（图7f）。以上结果表明，角质素、木质素和蜡质的生物合成促进了皮孔细胞的分化。
图7. 皮孔细胞的转录组分析
（a）对皮孔细胞和非皮孔细胞之间的差异表达基因的GO富集分析。（b）在皮孔（L）和非皮孔（NL）细胞中参与细胞内运输和其他细胞过程的基因表达的热图。（c）qRT-PCR测定皮孔细胞和非皮孔细胞胞内转运基因的表达。（d）皮孔细胞与非皮孔细胞差异表达基因的KEGG富集分析。（e）皮孔细胞（L）和非皮孔细胞（NL）细胞中蜡、角质和脂肪酸生物合成相关基因的热图。（f）蜡质生物合成相关基因在皮孔细胞和非皮孔细胞中的表达。
总
结
在本研究中，作者研究了皮孔在杨树茎次生生长中作为通气结构的作用。遗传证据证明了气孔和皮孔形成之间的相关性。皮孔发育过程的解剖揭示了细胞分裂和向气孔结构分化的过程。转录组分析显示代谢和细胞壁合成的特定变化促进了皮孔细胞的分化和特化。这些发现为进一步阐明它们在树木中的发育、功能和遗传调控的机制奠定了基础。
原文链接（点击“阅读原文”）
～ The End! ～
