兜蘭種子木質素合成調控其萌發機制研究取得重要進展
兜蘭屬（Paphiopedilum）是蘭科植物最重要的屬之一，其唇瓣特化成兜狀或拖鞋狀，故又稱為“拖鞋蘭”、“仙履蘭”等。兜蘭屬植物以其奇特的花型，豐富絢麗的花色和持久的花期而具有極高的觀賞價值。盡管我國兜蘭屬植物資源非常豐富，但大部分種類由于其自身在野生生長環境下繁殖困難，加上過度采挖以及生長環境的破壞，已經瀕臨滅絕。現存所有野生種均被列入《瀕危野生動植物種國際貿易公約》附錄I 中而被禁止交易。兜蘭種子十分細小，且胚發育不完全，沒有子葉和胚乳（見圖1），在自然環境中需要與真菌共生才能部分萌發。在人工無菌播種中雖然提供了必要的礦質元素和其它營養物質，絕大部分兜蘭的成熟種子也難以萌發。科研人員在不同胚齡種子的無菌播種實驗中發現，發育前期的種子萌發率雖然相對較高，但是由于營養物質積累不充分，胚沖破種皮后，發育進程緩慢，成苗率低；而成熟后的種子營養物質積累相對充分，能滿足種子萌發后初期的物質與能量需求，萌發后的成苗率較高，但種子萌發率卻極低。
是什么因子影響不同成熟度兜蘭種子的萌發呢？中科院華南植物園農資中心房林副研究員和碩士生徐新等科研人員，首先對包括脫落酸在內的幾種內源激素的功能進行了研究。結果顯示：外源脫落酸處理僅能夠抑制未成熟種子的萌發，而脫落酸抑制劑處理可以降低成熟種子內源脫落酸含量，但對萌發率無顯著影響。而木質素的積累與兜蘭種子萌發率的下降密切相關。
木質素是由芳香類化合物單體經過脫氫聚合反應形成的復雜網狀結構。從分子結構上看，木質素可以分為兩大類：甲基化木質素以及非甲基化木質素，其中，甲基化木質素由愈創木基木質素 (G型木質素), 紫丁香基木質素（S型木質素）和5-羥基愈創木基木質素（5H型木質素）三種組成，非甲基化由羥基苯基木質素 (H型木質素)和咖啡基木質素（C型木質素）兩種組成。甲基化的G型和S型木質素廣泛的分布在植物根莖等木質化的組織中，而非甲基化木質素僅在一些蘭科和仙人掌科植物的種子中。科研人員通過二維核磁、GC硫代酸解和紅外光譜三種技術來分析兜蘭種胚中木質素的單體結構，結果顯示不同于莖干等組織，兜蘭種子中富含非甲基化木質素，而富含這種木質素的種皮具有強不透水性，從而阻止水份和營養物質進入種子內部從而阻止種子萌發。 KEGG富集分析表明，種子成熟過程中，苯丙烷生物合成和苯丙氨酸代謝相關的大量基因被差異表達。PAL，4CL，HCT和CSE上調表達與C型和H型木質素積累有關。 CCoAOMT，F5H和COMT的表達維持在低水平或下調以抑制G型和S型木質素的積累（見圖2）。
為了進一步探索兜蘭種皮中非甲基化木質素的合成通路，科研人員對不同發育程度下杏黃兜蘭的種子進行了轉錄組分析。
非甲基化木質素在兜蘭種子中積累的獨特生物學意義是什么呢？在野生狀態下，兜蘭種子需要與適宜的真菌共生才能萌發。而非甲基化木質素本身的結構是極其穩定的，在自然界中幾乎只能被真菌降解。由此，推測高度木質化的種皮是兜蘭在野外狀態下適應真菌共生的策略之一。
相關研究結果已發表在BMC genomics（《BMC基因組學》）（2020, 21:524）上。
論文鏈接：https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-020-06931-1
圖1. 兜蘭種胚發育與萌發
圖2. 兜蘭種子木質素和莖葉木質素的合成途徑
