近日，中国热科院椰子所热带棕榈作物组培团队在权威杂志中科院二区TOP期刊《Scientia Horticulturae》（IF=4.342）在线发表了题为“Cell wall lignification may be necessary for somatic embryogenesis of areca palm (Areca catechu)”的研究论文，发现了木质素生物合成的最后一步关键基因（PER39和PER3-1）在槟榔体胚发生阶段显著上调，从而促进了木质素在体胚细胞壁中的积累，参与槟榔体胚的形成。研究结果有助于人们从细胞壁角度理解次生细胞壁木质化参与槟榔体胚发生的复杂机制，同时为解析槟榔体胚发生机制、建立高效的槟榔组培体系提供候选基因和科学依据。
槟榔（Areca catechu）为棕榈科槟榔属多年生乔木，是海南第一大热带经济作物，种植及初加工产值约287.3亿元，是230万农民的主要经济来源。随着种植面积的增加，种苗良莠不齐、栽培管理标准不一等问题日益凸显。组织培养技术是解决优良品种大规模繁育的有效途径，建立槟榔组培技术体系，对于解决槟榔良种种苗不足具有重要意义。但目前槟榔体胚诱导率低、相关机理尚不明确限制了槟榔组培技术的进一步发展及应用。
该团队应用前期初步建立的槟榔组培技术获得了槟榔愈伤、体胚和再生苗，通过基于槟榔外植体、愈伤组织和体胚转录组数据的权重基因共表达网络（WGCNA）分析，发现富含羟脯氨酸糖蛋白（HRGPs）、阿拉伯半乳蛋白（AGPs）、脯氨酸富蛋白（PRPs）等在槟榔体胚中高表达，GO分析表明上述基因属于细胞壁相关基因。此外，木质素生物合成调节因子如基本螺旋-环-螺旋（bHLH）和同形盒-亮氨酸拉链（HOX）在愈伤-体胚的过程中呈现上调趋势。
图1 槟榔合子胚、愈伤、体胚的转录组分析
利用冷冻切片、番红-固绿染色、Yariv’ s Reagent染色技术，分析了木质素和阿拉伯半乳蛋白（AGPs）在愈伤和体胚细胞壁中的积累情况，通过荧光显微观测发现木质素在体胚细胞壁中积累，暗示细胞壁的木质化可能是槟榔体细胞向体胚转变的必要过程。而阿拉伯半乳蛋白（AGPs）在合子胚、愈伤组织和体胚中均有积累，表明该蛋白可能参与了多种生物过程，是槟榔体胚发生过程中的重要蛋白。以上研究为解析槟榔体胚发生的分子机制打开了新视角，同时展现了木质素生物合成的相关基因在优化槟榔组培技术方面的潜在应用价值。
图2 槟榔愈伤和体胚细胞壁的显微结构和细胞壁木质化参与体胚发生
中国热科院椰子所李志瑛、张大鹏、石鹏以及海南省崖州湾种子实验室Yin Min Htwe 博士为论文的共同第一作者，王永副研究员为通讯作者。该研究得到了海南省槟榔现代农业产业技术体系、三亚崖州湾科技城管理局、海南省自然科学基金等项目的资助。
中国热科院椰子所热带棕榈作物生物育种研究团队主要以椰子、油棕、槟榔、椰枣等重要热带棕榈作物为研究对象，结合热带棕榈作物体胚发生调控机制研究，建立遗传转化和基因编辑技术体系，致力于推动热带棕榈作物生物育种技术的发展与应用。团队成员均为海南自由贸易港高层次人才，其中南海名家1名。该团队组建以来，主持国家自然科学基金面上项目1项、海南省自然科学基金高层次人才项目1项，参与海南省崖州湾种子实验室项目博士后课题2项。近五年来，团队在油棕种子萌发、体胚发生、无籽性状形成、脂肪酸合成等机制方面取得重要进展，并在Industrial Crops and Products，BMC Plant Biology，Frontiers in Plant Science、Scientia Horticulturae等期刊上发表相关学术论文多篇。
论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scienta.2022.111538
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