錐形細(xì)胞和表皮毛是植物體（特別是花瓣）表面常見(jiàn)的凸起細(xì)胞，在形態(tài)、大小和分布式樣等方面呈現(xiàn)出豐富的多樣性。這些凸起細(xì)胞的存在不僅增強(qiáng)了相應(yīng)器官的復(fù)雜性，而且賦予了器官特定的生態(tài)學(xué)功能。前人在擬南芥、番茄、黃瓜、棉花和金魚(yú)草等物種中已經(jīng)鑒定出多個(gè)調(diào)控錐形細(xì)胞和表皮毛分化的關(guān)鍵基因，但由于缺乏在同一器官上的比較研究，關(guān)于不同類型凸起細(xì)胞的發(fā)育和進(jìn)化機(jī)制以及它們之間的區(qū)別與聯(lián)系仍不清楚。

黑種草屬植物花瓣表皮毛發(fā)育和進(jìn)化的分子機(jī)制

國(guó)家植物園（南園）孔宏智研究團(tuán)隊(duì)以毛茛科（Ranunculaceae）黑種草屬（Nigella）植物為研究體系，綜合運(yùn)用多種技術(shù)方法，系統(tǒng)研究了錐形細(xì)胞、短表皮毛和長(zhǎng)表皮毛這三種凸起細(xì)胞的細(xì)胞學(xué)特征及其發(fā)育和進(jìn)化機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管錐形細(xì)胞、短表皮毛和長(zhǎng)表皮毛均為單細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但它們?cè)谛螤睢㈤L(zhǎng)度、數(shù)量、分布模式、表面紋飾、細(xì)胞倍性、發(fā)育過(guò)程和形成機(jī)制等方面均存在明顯差異。MIXTA（其同源基因在多個(gè)物種中決定錐形細(xì)胞或表皮毛的身份）僅參與錐形細(xì)胞的發(fā)育，但并不調(diào)控長(zhǎng)、短表皮毛的形成。兩類表皮毛的命運(yùn)均由MYB-bHLH-WDR復(fù)合體-GL2通路成員決定，但關(guān)鍵調(diào)控因子的組合并不完全相同。其中，短表皮毛的命運(yùn)由MYB5-1、GL3、TT8和GL2決定，而長(zhǎng)表皮毛的命運(yùn)則由MYB5-1、MYB5-2、GL3和GL2決定。在生態(tài)學(xué)功能上，短表皮毛作為微型支柱，使花瓣上、下唇之間保留微小縫隙，以便傳粉者吸食花蜜。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黑種草屬植物花瓣上的長(zhǎng)、短表皮毛均起源于類似長(zhǎng)毛的祖先細(xì)胞；二者的進(jìn)化分別涉及對(duì)MYB5-2和TT8的獨(dú)立招募。該研究不僅首次全面探討了同一器官上不同類型凸起細(xì)胞之間的區(qū)別與聯(lián)系，而且為深入理解花瓣復(fù)雜化（特別是表面復(fù)雜化）和新性狀起源的機(jī)制提供了新見(jiàn)解。

該研究成果于近日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。國(guó)家植物園（南園）已畢業(yè)博士研究生彭春喜、助理研究員姚序、已出站博士后傅學(xué)浩和在讀博士研究生呂森濤為本文共同第一作者，孔宏智研究員和山紅艷研究員為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目的資助。

進(jìn)化發(fā)育與調(diào)控基因組學(xué)研究組

組長(zhǎng)：孔宏智研究員

郵箱：hzkong@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

1. 植物進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)；

2. 基因、基因家族和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化；

3. 植物系統(tǒng)學(xué)和分子生物地理學(xué)。

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻