科研 |南京农业：多组学分析揭示了梨果实石细胞分布的差异（国人佳作）

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编译：微科盟王文博，编辑：微科盟Emma、江舜尧。

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导读

梨(Pyrus)果实中的石细胞几乎全部由木质化的次生细胞壁组成。石细胞主要分布在果核附近，在整个果实中呈放射状分布。然而，石细胞的发育尚未得到全面的研究，在转录组、蛋白质组和代谢组水平上石细胞的形成调控仍然未知。在本研究中，我们对分布在果核附近的石细胞及其相关维管束进行了表型分析，并通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析表明，在靠近果核的石细胞中，木质素的生成和沉积受到显著的正向调控，包括蔗糖代谢产物、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸生物合成。我们随后发现，苯丙烷途径产生了许多代谢产物，有助于果核附近石细胞的细胞壁形成。此外，我们还发现了一个关键的转录因子PbbZIP48，该转录因子在果核附近高度表达，可以调节石细胞木质素的生物合成。综上所述，我们在多组学水平上为理解梨果核附近木质化石细胞的形成机制提供了新的见解。

论文ID

原名：Multi-omics analyses reveal the difference of stone cell distribution in pear fruit译名：多组学分析揭示了梨果实石细胞分布的差异期刊：The Plant JournalIF：7.091发表时间：2022.12通讯作者：张绍铃&陶书田通讯作者单位：南京农业大学

实验设计

实验结果

1. 石细胞和维管束分布在果核附近
为研究梨果实中石质细胞的分布规律，采用红绿色染色法对100个品种在开花55天后（DAF）的梨进行了解剖分析(图S1)。图1a中选取了四个品种进行展示，包括“翠玉”、“翠冠”、“武山糖梨”和“砀山酥梨”(DS)。通过高斯滤波去噪和标签聚类提取并标记核细胞为点后，我们观察到所有品种的核细胞大部分分布在果核附近(图1b, S2)。经过RGB色彩空间变换，我们也发现维管束与石细胞的分布模式相同(图1cd, S3)。根据k-means算法计算石细胞与维管束之间的距离。在距离维管束5 mm处，石细胞数与总石细胞数的平均比值为99.34%（图1 e）。这些结果表明，梨果实中石细胞与维管束紧密相连，特异性分布在梨果核附近。图1.分布在果核附近的石细胞和维管束(a)“翠玉”、“翠冠”、“武山糖梨”和“砀山酥梨”(DS)的红绿染色。石细胞被染成红色。比例尺= 1cm。(b)使用MATLABR2016A软件，通过高斯滤波去噪和标记聚类来分割标记为点的石细胞。(c)维管束的红色-绿色染色。(d)标记为矩形正方形的维管束的RGB颜色空间转换。(e)维管束周围不同距离的石细胞数占100个品种石细胞总数的平均比率，并进行了多重比较。数据表示为重复样品的平均值±标准偏差 不同字母表示样本间具有显著性差异(P<0.05)。
2. 果核附近木质素活性部位较高
为了进一步从生理层面表征石细胞的分布模式，我们通过比较富含石细胞的部分(SR)和缺乏石细胞的部分(SL)，详细分析了DS品种的果实(图2a)。如图2b所示，从核向外，石细胞分布逐渐稀疏。石细胞含量从15 DAF到55 DAF迅速增加，在15 DAF时，SL和SR之间没有观察到显著差异(图2c)。而在35和55 DAF时，SR的石细胞含量分别比SL高4.25%和6.36%。在35和55 DAF时，SR的总木质素含量分别比SL高0.27%和0.29%(图2d)。此外，木质素生物合成相关酶分析显示，在55 DAF时，SR中PAL(42.73%)、C4H(41.07%)和香豆酸3-羟基化酶(C3H)(33.19%)的活性均显著高于SL(图2e-g)。SR中CAD活性也较高，在35 DAF时达到最高水平，随后下降(图2h)。但是POD活性从15 DAF到55 DAF显著下降，而SL和SR之间没有显著差异(图2i)。结果表明，果核附近木质素生物合成相关酶活性较高。图2.木质素生物合成酶的活性在果核附近较高(a，b)在55 DAF下梨果实的红绿染色。SR表示石细胞丰富的部分，SL表示石细胞较少的部分。红色染色表明存在石细胞。(c)石细胞定量。(d)木质素总量。在15、35和55 DAF时，梨果实中PAL (e)、C4H (f)、C3H (g)、CAD (h)和POD (i)的酶活。数据表示为重复样品的平均值±标准偏差。t检验用于确定每个阶段SR和SL之间差异的显著性(p < 0.05)。
3. 果核中木质素生物合成基因高表达
为了研究SR和SL之间的转录组差异，我们使用15、35和55 DAF的果实进行了RNA-seq分析。主成分分析(PCA)显示SR和SL之间存在显著的转录组变化(图S4a)。我们在转录组中鉴定了42098个基因，其中SR15和SL15中有1036个差异表达基因(DEGs)。有趣的是，SR和SL之间的DEGs数量在35到55 DAF时显著增加，分别为2894和2755(图3a, S5a-c)。在SR和SL三个阶段的比较中，韦恩图分析表明，35和55 DAF果实共享大量的DEGs(1164)，而15 DAF果实与其他品种果实共享的DEGs要少得多，分别只有274和265(图3b)。通过交叉比较(Table S1)共鉴定出4935个DEGs。这些结果表明，转录组的变化与石细胞成熟和木质化过程中的变化是一致的。我们进一步进行了GO富集和KEGG分析。在生物过程中，SR中上调的DEGs富集于植物型细胞壁组织、L-苯丙氨酸生物合成过程和分支酸代谢过程(图3c)。值得注意的是，SR中上调的DEGs主要富集在苯丙烷生物合成中(图S5d)，这与木质素生物合成密切相关。我们鉴定出71个与木质素生物合成相关的DEGs(图3d)。一些基因在SR中转录水平明显上调，包括HCT (Pbr005360.1)、4CL(Pbr013445.1)、CCR (Pbr028834.2)和CCOMT (Pbr034039.1)(图3e)。此外，还鉴定出196个转录因子，其中110个在SR中上调(图S5e)，包括调控木质素生物合成的基因MYB (Pbr002014.1)、bZIP (Pbr013209.1)、WRKY(Pbr032444.1)、TALE (Pbr019805.1)(图3e)。其他木质素相关基因也被发现在SR中上调，包括己糖激酶 (HXK,Pbr036641.1)，蔗糖合酶(SUS, Pbr017514.1)，海藻糖6-磷酸磷酸酶(TPP,Pbr037395.1)和分支酸(CM,Pbr029932.1)(图3e)。综上所述，这些结果表明，木质素生物合成上调引起石细胞次生细胞壁（SCWs）的木质化，这是由果核附近的转录因子控制的基因引起的。图3.木质素生物合成基因在果核附近上调(a)DEGs的分布直方图。比较组是SR15 和SL15比较, SR35和SL35比较,SR55和SL55比较。红色表示上调的DEGs数，绿色表示下调的DEGs数。(b)通过韦恩图分析的重叠DEGs。(c)“生物过程”富集的子类别。使用单一富集分析对特定GO亚类进行分析，这些亚类包含在SR与SL中丰度一致改变的转录本。橙色代表SR中GO表达上调，绿色代表SR中GO表达下调。(d)苯丙烷生物合成。红色表示上调的基因数，绿色表示下调的基因数。(e)苯丙烷生物合成、蔗糖代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成中基因的相对转录水平(SR对SL)。数据表示为重复样品的平均值±标准偏差。
4. 木质素合成相关蛋白在果核附近积累
我们进一步在15、35和55 DAF时对SL和SR的果实进行了蛋白质组学测序。PCA与转录组结果相似(图S4b)。我们在蛋白质组学中鉴定出3319个蛋白， 在SR15 和SL15比较、SR35 和SL35标胶、SR55 和 SL55比较中分别鉴定出188、269和215个差异表达蛋白(DEPs)(图4a, S6a-c)。韦恩图分析显示，各对照组中交叉的DEPs数量相似(图4b)。通过交叉比较，共鉴定出590个DEPs (Table S2)。这些结果也显示了SR和SL在35和55 DAF时的显著差异。GO富集分析显示，SR中上调的DEPs富集于戊糖-磷酸途径、蔗糖代谢和氧化还原过程(图4c)，这可能参与了跨分子转运和细胞壁木质化。而SR中下调的DEPs在碳固定和光合过程中富集。KEGG分析显示，SR中上调的DEPs富集在苯丙氨酸等次生代谢产物生物合成物中(图S6d)。与转录组的数据一致，木质素生物合成中有20个DEPs蛋白在SR中上调，包括HCT (Pbr013510.1)、CAD (Pbr026287.1)、PAL (Pbr008363.1)、CCR (Pbr022405.1)、F5H (Pbr022142.1) (图4de)。此外，SR中蔗糖代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成以及植物激素信号转导中的一些DEPs也上调，包括SUS (Pbr035996.1)、FDC (Pbr016162.1)、DQD/SDH (Pbr017091.1)、GalU (Pbr020146.2)、SPP (Pbr010299.1)、GID (Pbr015792.1)和CM (Pbr019996.1)(图4e)。蛋白质组学分析结果再次证实了果核石细胞的木质素生物合成增加。图4.木质素生物合成相关蛋白在果核附近积累(a)DEPs的分布直方图。比较组是SR15 和SL15比较、SR35 和SL35比较、 SR55 和SL55比较。上调的DEPs数字用红色表示，下调的用绿色表示。(b)通过韦恩图分析重叠DEPs。(c)“生物过程”富集的子类别。使用单一富集分析对特定GO亚类进行分析，这些亚类包含在SR与SL中丰度一致变化的蛋白质。SR中上调的GO术语显示为紫色，下调的显示为绿色。(d)苯丙烷代谢中DEPs的数量。上调的DEPs以红色显示，下调的以绿色显示。(e)苯丙烷生物合成、蔗糖代谢、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸生物合成和植物激素信号转导中蛋白质的相对丰度(SR对SL)。数据表示为重复样品的平均值±标准偏差。
5. 大量次生代谢物在果核附近合成富集
为了进一步研究果实发育不同阶段SL和SR中代谢物的变化，我们使用LC-MS/MS技术进行了代谢组学分析。PCA和正交偏最小二乘判别式分析法(OPLS-DA)显示，SR和SL之间许多代谢产物发生了显著变化(图S7)。共有88种代谢物在SR和SL中明显上调或下调，大多数在35和55 DAFs时相对含量较高(图5a, Table S3)。KEGG分析显示，29种代谢物为次生代谢物的生物合成产物，9种为苯丙烷生物合成产物，6种为半乳糖生物合成产物，5种为苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成产物，4种为淀粉和蔗糖生物合成产物(图S8a)。根据Cytoscape的研究，这些途径与次生代谢产物的代谢途径和生物合成高度相关(图S8b).此外，次生代谢产物是变化最大的一组代谢产物，SR中有22个上调，14个下调(图5b)。在55 DAF时，SR中分支酸、阿魏酸、5-羟基阿魏酸、松柏醛、松柏醇和芥子醇的相关含量显著高于SL(图5c)。这些化合物之前已被证明参与木质素生物合成。氨基酸(SR中上调4个，下调3个)和碳水化合物(SR中上调8个，下调11个)的数量也发生了变化(图5b)。在55 DAF时，SR中棉子糖、蔗糖、D-果糖和D-葡萄糖6-磷酸的相对含量显著高于SL(图5c)。然而，在SL和SR之间，没有观察到D-山梨醇含量的显著变化(图5c)。这些化合物有可能为SCW的形成提供底物。与此相一致的是，在梨果实发育过程中，SR中检测到的苯丙氨酸含量明显更高(图5c)，它是许多酚类化合物的主要前体，包括木质素单体。代谢组学证明核细胞的木质化主要发生在果核附近。图5.次生代谢产物在果核附近大量合成(a)LC-MS/MS分析检测到的代谢物的热图。每列分别代表在15、35和55 DSF时SR和SL之间的比较。(b)次生代谢、碳水化合物、核苷酸、脂类和氨基酸中不同代谢物的数量。红色表示上调的代谢物数量，绿色表示下调的代谢物数量。(c)苯丙烷生物合成、蔗糖代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成中代谢物的相对含量。数据表示为重复样品的平均值±标准偏差。t检验用于确定每个阶段SR和SL之间差异的显著性(p < 0.05)。
6. 转录组和蛋白质组的交叉比较
我们整合了转录组学和蛋白质组学分析获得的信息，通过比较55 DAF与差异表达倍数来识别筛选石细胞形成的关键基因和蛋白质。我们首先从DEGs和DEPs分析中鉴定出179个基因/蛋白，其中177个(98.88%)显示至少1.2倍的变化(图6a, Table S4)。然后根据关系的散点图将这些基因/蛋白质分为9个部分(图6a)。其中，121个DEPs(67.6%)与其表达水平呈显著相关，表明在石细胞形成过程中DEPs的变化主要取决于DEGs的转录水平。值得注意的是，SR中DEGs和DEPs同时上调的基因(红色部分)主要涉及苯丙氨酸和其他次生代谢生物合成。然而，SR中DEGs和DEPs同时下调的基因(绿色部分)参与了光合作用、碳代谢和谷胱甘肽代谢(图6b)。在糖酵解/糖异生中，少数基因表现出相反的模式，即在DEGs中下调，在DEPs中上调(橙色部分)，这可能是转录后或翻译后的调控。总的来说，在35和55 DAF时，许多在DEGs和DEPs分析中显示出正相关的基因参与了次生代谢产物的生物合成、苯丙类生物合成、碳代谢和糖酵解/糖异生(图6c, S9)。这些结果可能为促进果实核附近SCWs的木质化研究提供了关键证据。图6.转录组学、蛋白质组学和代谢组学的交叉比较明确了石细胞木质化的途径(a)基于log₂FC(SR 和SL比较)的转录组和蛋白质组中DEGs和DEPs的散点图。彩色点表示基因在DEGs和DEPs中大于1.2倍或小于0.83倍(SR 和SL比较)。(b)在(a)中相同颜色部分的KEGG术语。使用单一富集分析确定p值，表明富集程度的显著性。(c)散点图显示在55 DAF时DEGs和DEPs中次生代谢物、苯丙烷生物合成、碳代谢和糖酵解/糖异生的相关性。通过线性回归确定转录物和蛋白质的相对丰度之间的相关性。斜率(Corr)和拟合(R²)值由IBM SPSS Statistics 22确定。(d)简化的代谢流程图显示了代谢物丰度、转录组和蛋白质丰度的变化。主要分析的代谢途径蔗糖代谢(e)，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成(f)和苯丙烷生物合成(g)。本研究中列出了SR和SL筛选的代谢物的FC(中)、DEGs(左)和DEPs(右)，分别以蓝色、橙色和红色列出。括号中的数字分别表示下调(蓝色)或上调(红色)的DEGs/DEPs的数量。
7. 果核附近石细胞形成的代谢途径
多组学研究为研究石细胞木质化过程提供了全新视角，由此我们整合了来自转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析的数据(图6d-g)。在蔗糖代谢中，我们发现果糖含量的增加与蔗糖含量的增加以及转录物和蛋白质水平SUS和转化酶(INV)的上调有关(图6d, e)。同样，Glc-6-P的增加与HXK转录物水平的升高有关。此外，与SL相比，SR中莽草酸、分支酸和苯丙酮酸盐的丰度增加了1.1-1.7倍。预苯酸合成酶、分支酸变位酶的转录物和蛋白质水平分别上调了5倍和30.5倍。L-苯丙氨酸合成物是组氨醇磷酸转氨酶(HISC)，在转录水平上也被上调(图6f)。这些结果表明，在果核附近木质素前体的合成显著增加。木质素生物合成基因的转录物和蛋白水平均显著升高(如PAL、C4H、4CL、C3H、HCT、CCOMT、F5H、CCR、CAD、PO D)，导致相应的酚类化合物如苯丙氨酸、对香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、松柏醛、松柏醇、5-羟基阿魏酸、单醇等增加(图6g)。总的来说，在靠近果核附近处，我们的多组学数据表明对石细胞木质化的促进作用是全面的。
8. PbbZIP48促进细胞壁木质化和木质素的生成
为了验证多组学分析的结果，我们筛选了DEGs，以确定控制石细胞木质化的关键候选基因。在此基础上，我们进行了木质素生物合成基因与TFs基因的共表达网络分析。与木质素生物合成基因高度相关的PbbZIP (Pbr013209.1和Pbr029860.1)、PbMYB (Pbr002014.1)和PbERF (Pbr012024.1)的表达模式(图S10a)。有趣的是，Pbr013209.1在FPKM数据和SR中高度表达(图7a, S11)。Pbr013209.1是一个位于细胞核的bZIP TF，根据系统发育分析命名为PbbZIP48(图S10b-d)。为了进一步验证PbbZIP48在梨果实中的功能，我们对梨果实中的PbbZIP48进行了瞬态转换分析。我们观察到含有PbbZIP48过表达载体的农杆菌浸润的果实。与含有对照载体和未处理部分的果实相比，PbbZIP48过表达果实的木质素含量显著增加(图7b, c, S12a)。有趣的是，我们检测到木质素生物合成基因PbC3H1和PbCCOMT2的特异性表达 (图7d)。在PbbZIP48过表达的烟叶中也观察到类似的结果(图S12b, c)。同时，PbC3H1和PbCCOMT2与PbbZIP48共表达，在SR中表达量更高(图S11)。结果表明，PbbZIP48可通过调控PbC3H1和PbCCOMT2促进细胞壁木质化。图7. PbbZIP48上调木质素生物合成基因表达，促进细胞壁木质化(PbbZIP48在果实发育过程中的相对表达量。(b)在55 DAF处对DS中PbbZIP48过表达的瞬时分析。注射部位标记为A和B，相应的未注射部位标记为B。在农杆菌浸润后7天图像。(c)在果实中注射点和非注射点周围的肉质组织中测量木质素。(d)在注射点和非注射点周围的肉质组织中木质素生物合成基因的表达。(e)过表达PbbZIP48的拟南芥中木质素生物合成基因的相对表达量。OE2、OE3和OE8表示三个独立的转基因品系。(f)过表达株系中PbbZIP48的相对表达水平。(g)茎中总木质素的测量。(h)8周时，野生型和转基因拟南芥植物的导管、木素纤维和维管纤维细胞壁厚度的定量分析。(i-p)茎横切面的甲苯胺蓝染色显示野生型拟南芥和PbbZIP48-OE3系的木质部组织。(i-l)比例尺：100μm；(m-p)比例尺：50μm；(q)LUC的定量分析。35S:PbbZIP48用作效应子，PbC3H1和PbCCOMT2启动子驱动LUC作为报告基因。(r，s)His-PbbZIP48重组蛋白结合含有G-box motif的PbC3H1 (r)和PbCCOMT2 (s)启动子区域。5’-Fam标记的寡核苷酸(ACGTG)为生物探针。相同但未标记的DNA片段(冷探针)用作竞争探针，AAAAA用作检测中阴性对照(突变探针)。数据表示为重复样品的平均值±标准偏差(*p < 0.05，**p < 0.01)。
由于在梨中难以获得稳定的转基因植株，我们研究了PbbZIP48在拟南芥中的功能。与野生型(WT)植物相比，三个独立的转基因株系的根和茎的生长都有所增加(图S13, S14)。在PbbZIP48过表达的植株中，木质素生物合成基因在茎中的表达均显著上调(图7e, f)。木质素含量显著增加，OE8中最高，高达38.68%，如(图7g)所示。此外，解剖分析显示，过表达PbbZIP48植株茎部木质部发育发生明显变化，其中导管(VEs)、木素纤维(XFs)和维管纤维(IFs)次生细胞壁变厚，分别增加32.34%、34.14%和37.55%(图7i-p)。这些结果表明，PbbZIP48在拟南芥茎中SCWs的木质化中起着重要作用。为了验证PbbZIP48是否可以直接调控PbC3H1和PbCCOMT2转录本，我们首先在PbC3H1编码区上游-1085 bp和PbCCOMT2的-699 bp发现了G-box motif (5'-ACGTG-3')，它们是bZIP TF的潜在结合位点。然后，我们使用35S: PbbZIP48作为效应器，PbC3H1和PbCCOMT2的启动子作为报告子进行双荧光素酶检测(图S15)。PbbZIP48显著激活了两种启动子的相对LUC活性(图7q)。此外，使用电泳迁移率转移试验(EMSA)来确定His-PbbZIP48重组蛋白与含有来自PbC3H1和PbCCOMT2启动子区域的G-box motif的DNA探针的物理结合(图7r, s)。当PbC3H1和PbCCOMT2启动子与His蛋白孵育时，没有发现转移。当His-PbbZIP48蛋白与探针反应时，His-PbbZIP48蛋白可以结合PbC3H1和PbCCOMT2启动子中含有G-box (AC GTG)基序的标记探针，并引起迁移率的变化。此外，加入逐渐增加浓度的冷探针有效地减少了标记探针与His-PbbZIP48蛋白的结合，PbbZIP48蛋白不能与突变探针(AAAAA)结合。这些结果表明PbbZIP48能够通过G-box (ACGTG)基序直接特异性结合PbC3H1和PbCCOMT2的启动子。总之，PbbZIP48可以通过与PbC3H1和PbCCOMT2启动子区域的G-box (ACGTG)基序结合，直接上调PbC3H1和PbCCOMT2的表达。

讨论

木质化是形成石细胞的基本条件。在本研究中，我们同表型、转录组、蛋白质组、代谢组等综合分析了梨果核附近，为多组学研究提供了可靠的生信分析。

中国白梨“砀山酥梨”基因组为512.0 Mb，有42,812个注释基因，其中大部分表达在梨果实中。到目前为止，在梨中还没有深入的蛋白质组学图谱。然而，蛋白质组学只能在梨果实中鉴定出约3000个蛋白质，仅占转录基因的7%。在这项研究中，我们通过转录和蛋白质组学分析分别鉴定出42098个基因和3319个蛋白质。所鉴定的基因和蛋白质的数量与之前的研究一致。在以往的许多研究中，DEGs和DEPs之间的相关性较低。例如，对玉米叶片进行高氮和饥饿处理后，发现128个基因/蛋白质(占总DEPs的19.01%)在3082个DEGs和673个DEPs之间重叠。在钙处理的牡丹茎中，通过重叠2643个DEGs和892个DEPs，鉴定出152个基因/蛋白质(占总DEPs的17.04%)。在本研究中，我们从DEGs和DEPs分析中鉴定出179个基因/蛋白质(占总DEPs的30.34%)，这比以往的研究要多，这表明我们的结果在转录组和蛋白质组之间存在很强的相关性。鉴于从这些研究中鉴定出的总DEPs数量较低，需要进一步努力改进蛋白质组学技术。

果核附近的石细胞在很大程度上决定了果实的品质。我们之前的研究发现，“金盖酥”和“幸水”果实的核细胞分布不均匀，靠近果核的核细胞密度高于其他部位。在另外30个梨品种中同样观察到这种分布模式。在这项研究中，我们调查了100个梨品种的石细胞分布，并证实了之前的发现。在一些草本植物中，石细胞分布在维管束附近。维管束可为石细胞的形成提供资源，包括各种营养物质、蔗糖、蛋白质、氨基酸、维生素和激素。在这里，我们证明了梨果实中的石细胞也分布在靠近果核的维管束。

细胞壁木质素转化是植物中最复杂的过程之一，它涉及葡萄糖代谢途径、磷酸戊糖途径和糖酵解途径，分别提供碳骨架、4-磷酸赤藓糖和磷酸烯醇式丙酮酸。苯丙氨酸和酪氨酸是木质素单体合成的前体，由莽草酸-分支酸通路合成。此外，木质素沉积主要依赖于将葡萄糖和其他碳水化合物转化为葡萄糖。在桃内果皮发育过程中，糖的大量积累为木质素生物合成提供了前体。山梨醇是蔷薇科果实的主要光合产物，分别通过山梨糖脱氢酶和氧化酶氧化为果糖和葡萄糖。在这项研究中，我们没有观察到梨果实的不同部分在山梨醇、棉子糖和葡萄糖积累方面有显著差异。然而，我们发现蔗糖和果糖在果实核附近较高，这可能是由于在发育早期山梨醇积累较少。SUS和HXK在细胞壁生物合成中发挥重要作用，VIN也是SCW形成过程中蔗糖分解所必需的。这些基因在果核附近表现出较高的转录本和蛋白表达水平。因此，蔗糖代谢水平的上调和莽草酸-酪氨酸通路可能为果核木质化提供了有机物。

木质化是梨果实石细胞形成的必要条件。作为被子植物，梨石细胞中G-木质素与S-木质素的比率(G/S)与裸子植物的软木材中的比率一样高。这里，我们也检测到松柏醇含量明显高于芥子醇。我们之前的研究表明，HCT、POD、F5H和CCR导致了东西方梨石细胞的差异。POD参与木质素单体的聚合。有趣的是，在梨果实发育过程中，总POD的转录和蛋白质水平主要在果心附近下调，其酶活性下降。在氧化胁迫条件下SR富集的DEGs/DEPs表达量出现下调，这一结果表明PODs可能参与了梨果实在发育早期低温胁迫。而低温胁迫是梨果实发育成熟过程中需要应对的问题。值得注意的是，大多数木质素生物合成基因在果核心附近的转录和蛋白质水平上显著上调，其中HCT的变化最显著。这些木质素生物合成基因如何相互作用以促进果核附近的细胞壁木质化，还需要进一步研究。

此外，基因共表达网络(GCNS)通常用于预测基因的功能、TF调节靶点和共参与的调节通路。在这项研究中，我们确定了一个TF，PbbZIP48，它与木质素生物合成基因共表达，GCNS分析表明它促进细胞壁木质素合成。bZIP TF家族是植物中较大的基因家族。它们参与了各种生物过程和非生物胁迫，如激素信号、干旱、寒冷和热胁迫。许多与木质素生物合成相关的bZIP转录因子已在杨树中得到鉴定。在葡萄藤中，VlBZIP30与干旱响应和木质素生物合成基因启动子中的G-box结合。PbC3H1和PbCCOMT2在梨果实中分别显著表达21和49个DAPs。在这里，我们证明了PbbZIP48可以直接激活PbC3H1和PbCCOMT2的表达，促进细胞壁木质化。这是首次报道bZIP TF促进梨果实细胞壁木质化。先前的研究表明，包括PbrNSC和PbrMYB169在内的其他TFs对梨石细胞中木质素生物合成基因的转录具有激活功能。所有这些发现提出了一个问题，即石细胞木质化是如何在转录水平上被调控的，这需要进一步的探索。

总之，多组学分析表明基因转录、蛋白质丰度和代谢物积累的变化调控了果核附近石细胞的形成。果核附近还分布着许多维管束，这可能为木质素和石细胞的形成提供了次生代谢产物。同时，PbbZIP48作为一个关键的转录因子，促进了木质素的生物合成，并通过激活PbC3H1和PbCCOMT2进而调控果核石细胞中木质素的生物合成。通过多组学数据挖掘各组分的内在联系有助于理解梨石细胞形成的分子机制。

原文链接：  

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.16073

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