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中国农业科学院郑州果树研究所刘三军团队在葡萄无核性状形成机制研究中取得新进展
发布时间：
2026-01-06
来源：
科学园艺Scientia Horticulturae
近日，Scientia Horticulturae在线发表了中国农业科学院郑州果树研究所刘三军研究员团队题为Histological and transcriptomic analyses of lignin biosynthesis in stenospermocarpic seedless and seeded grape ovules的研究论文。该研究通过组织学观察与转录组测序系统解析了葡萄胚珠木质素合成过程及其与胚败育的关系，为阐明葡萄无核性状形成的分子机制提供了重要理论依据。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scienta.2025.114456
研究背景
葡萄（Vitis vinifera L.）是全球最重要的果树之一，无核是鲜食及加工葡萄育种中深受欢迎的性状。大多数栽培无核葡萄属于种子败育型（stenospermocarpy），指经过正常授粉受精，但由于各种原因导致葡萄合子胚在发育过程中又发生了败育，最终发育成无核、残核或软核果实，但不影响消费者食用。然而，无核葡萄胚败育的分子机制仍未完全阐明。已有研究表明，葡萄种子内种皮（endotesta）的木质化程度与胚发育密切相关。种子败育型葡萄由于种子发育初期胚珠细胞开始降解，内种皮发育受阻或停滞，木质化程度低，影响营养运输到胚珠内部，最终导致胚乳和胚相继败育。本研究选取种子败育型无核品种 ‘中葡18号’（ZP）与有核品种 ‘玫瑰香’（MH），通过组织学、木质素含量测定及转录组学分析，旨在揭示木质素合成在葡萄胚珠发育及胚败育中的作用机制。
研究结果
1）不同发育时期葡萄胚珠的形态学及组织学变化
研究团队系统观察了两种葡萄品种在自然授粉后15–64天（DAF）的浆果与胚珠发育，结果显示无核品种ZP的胚珠重量、纵径和横径在发育过程中均显著小于有核品种MH，并保留了明显的残核。组织学切片进一步表明，ZP在55–58 DAF出现胚败育的关键转折点，并在61–64 DAF观察到胚乳及胚完全败育。此外，MH的内种皮自25 DAF起便与胚珠维管束建立直接连接，而ZP的胚珠维管束仅与中种皮相连且该组织几乎不发生木质化，限制了营养运输。这些证据共同表明，胚珠种皮发育异常很可能是ZP胚败育的主要原因。
图1 ‘ZP’与‘MH’在15–64 DAF时期浆果和胚珠的形态变化及显微结构观察
2）葡萄胚珠木质素含量与沉积的比较
胚珠木质素含量测定结果表明，在35–61 DAF期间，无核品种ZP的胚珠木质素含量始终显著低于有核品种MH，差异达到2.3–3.3倍，且组织化学染色（phloroglucinol）也进一步证实ZP内种皮的木质化程度低。尤其是在35 DAF，MH的胚珠栅栏组织细胞层数显著增加，木质素沉积面积约为56.81%，而ZP仅在局部区域检测到零星木质素沉积（约2.11%），显示出显著的木质化水平严重不足。
图2 ‘ZP’与‘MH’胚珠的木质素含量变化及显微观察
3）转录组解析揭示木质素合成关键基因表达差异
对35、45、55和61 DAF胚珠开展的RNA-seq分析显示，‘ZP’与‘MH’的差异表达基因在“木质素生物合成”和“苯丙烷代谢生物合成”等关键通路显著富集，多个木质素合成结构基因（如PAL〔LOC100233012〕、4CL〔LOC100245991〕以及CCR、CAD、LAC等家族成员）在有核品种MH中呈高水平表达，而在ZP中则持续低表达。
图3 ‘ ZP’与‘MH’胚珠木质素生物合成途径相关基因的表达分析
研究进一步鉴定出12个潜在的木质素调控关键基因，其中以MYB（LOC100246160）、PAL（LOC100233012）和4CL（LOC100245991）最为重要；系统进化分析表明MYB（LOC100246160）与已知木质素调控因子AtMYB58和AtMYB63为同源基因，推测其可能作为核心转录因子调控葡萄胚珠的木质素合成过程。
图4 MYB转录因子与木质素生物合成基因筛选
4）结论
本研究通过组织学和转录组学系统揭示，胚珠种皮与维管束连接不完善、内种皮木质素沉积不足及相关基因表达低，是ZP无核葡萄胚败育的重要原因；木质素合成相关基因（如PAL、4CL、CAD等）及MYB转录因子在ZP中低表达，导致内种皮木质化延迟和不足。基于此，研究初步建立了葡萄胚珠“木质素调控—营养运输—胚败育”模型，为无核葡萄分子育种提供了新的候选基因与理论支撑。
图5 MYB介导‘ZP’的木质素合成和胚败育调控模型
中国农业科学院郑州果树研究所葡萄资源与育种团队完成了此项工作，刘三军研究员和李永洲助理研究员为论文的通讯作者，在读博士生刘肇先为论文第一作者，团队成员贺亮亮，宋银花，章鹏，以及已毕业硕士研究生杨彩丽，在读硕士生李鹏慧也为该论文的发表做出重要贡献。该研究获得河南省科技攻关项目（242102111141）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（1610192023304）、现代农业产业技术体系（CARS-30-15）、中国农业科学院创新工程（CAAS-ASTIP-2023-ZFRI）的资助。
团队或作者（第一或者[和]通讯作者 简介）
通讯作者：刘三军，研究员，博士生导师。现就职于中国农业科学院郑州果树研究所，现为国家葡萄产业技术体系豫西及黄土高原综合试验站站长，中国农学会葡萄分会常务理事，中国园艺学会葡萄与葡萄酒分会理事，河南省农学会葡萄专业委员会主任委员。一直从事葡萄资源利用与葡萄新品种选育及配套栽培技术研究工作。先后主持和参加国家：“863”、国家科技支撑计划项目、省部级以及横向课题30项。主持和参加选育葡萄新品种11个，发表论文100余篇，著作5部，制定国家农业行业标准《绿色食品温带水果》。获得国家科技进步三等奖两项，河南省科技进步奖4项。
李永洲，助理研究员，现就职于中国农业科学院郑州果树研究所，国家葡萄产业技术体系豫西及黄土高原综合试验站成员。自2022年7月起在该所果树种质改良研究中心工作，长期从事葡萄遗传与育种研究。在中外学术期刊《Scientia Horticulturae》、《BMC Plant Biology》、《中国农业科学》、《果树学报》等发表/参与发表论文18篇，其中SCI/EI收录11篇（第一作者或通讯作者8篇）；获授权发明专利1项。主持河南省重点研发与推广专项（科技攻关）1项、中国农业科学院基本科研业务费项目1项，以及果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室项目1项。
研究方向：刘三军，葡萄新品种选育与分子育种，葡萄种质资源创新及利用，葡萄早熟品种培育与配套栽培技术，露地及设施葡萄高效栽培模式，葡萄栽培技术集成与优化管理。
李永洲，葡萄香气品质形成及分子调控机制，无核葡萄胚败育及种子发育调控，葡萄种质资源遗传与功能基因挖掘，葡萄果实品质性状的分子育种，葡萄育种与果实品质相关技术创新。
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