羽衣甘蓝（Brassica oleracea var. acephala）是秋冬季节重要的观赏园艺植物，其中白化型品种在晚秋低温环境下新分化叶片会逐渐变为纯白色，与外围绿色叶片形成鲜明对比，具有极高的观赏价值和市场应用潜力。但长期以来，该低温诱导叶色变异的分子调控机制尚未被解析，限制了其性状的遗传改良。
2026年4月2日，《Journal of Integrative Plant Biology》在线发表了沈阳农业大学园艺学院冯辉教授、任杰副教授团队题为“The mechanism of newly differentiated leaves of kale turning white in late autumn”的研究论文。该研究以白化羽衣甘蓝双单倍体系KDW005和绿叶品系QL为研究材料，结合遗传定位、分子生化、转录组学等技术，成功克隆了控制低温诱导白化的关键基因BoWl，揭示了BoCBF1/BoPHL2-BoWl-BoARF1-BoGLK1级联通路调控低温下叶绿体发育和叶绿素合成的分子机制，为羽衣甘蓝叶色性状的精准分子育种提供了重要的理论基础和基因资源。
▎1. 羽衣甘蓝白化表型的遗传特性与生理基础
研究首先对两个供试材料的表型进行动态观察：苗期所有叶片均为绿色，当夜温降至15℃以下时，白化品系KDW005的新分化叶片逐渐变白，且白色区域随生长逐步扩大，而绿叶品系QL的新叶始终保持绿色。遗传分析显示，该白化性状由单个显性核基因控制，F₂群体分离比符合3:1，回交群体分离比符合1:1。 生理和细胞学观察表明，低温处理15天后，KDW005白化新叶中叶绿体结构异常，类囊体和基粒片层堆叠紊乱，甚至仅存前质体；总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均显著低于QL。进一步的光周期控制实验证实，该白化表型仅受低温调控，与长日照/短日照处理无关，排除了光周期的影响。
图1 羽衣甘蓝白化品系KDW005与绿叶品系QL的表型及温度变化特征
图2 低温下KDW005与QL的叶绿体超微结构与色素含量比较
图3 不同光周期和温度处理下KDW005的表型与色素含量
▎2. 白化关键基因BoWl的图位克隆与功能验证
利用BSA-seq结合精细定位策略，研究将调控白化性状的基因定位在C02染色体上34.6 kb的区间内，该区间包含7个注释基因。通过序列比对和共分离分析，最终确定编码F-box家族蛋白的Bo2g012700为候选基因，命名为BoWl（Brassica oleracea White Leaf）。序列分析显示，KDW005的BoWl存在5个非同义SNP突变和1个3 bp缺失，导致编码蛋白的氨基酸序列改变。表达分析显示BoWl在叶片中优势表达，低温处理后表达量显著上调，且绿叶品系中的诱导幅度高于白化品系。 由于羽衣甘蓝稳定遗传转化体系尚未成熟，研究采用等位性测验验证基因功能：将KDW005与另一白化DH系22KM012F杂交，F₁和F₂群体全部表现为白化表型，且22KM012F的BoWl存在单碱基缺失导致翻译提前终止，证实BoWl的功能缺失是羽衣甘蓝白化表型的根本原因。
图4 羽衣甘蓝白化基因BoWl的图位克隆
图5 BoWl的功能验证
▎3. BoWl与BoARF1互作共同激活下游叶绿体发育调控基因BoGLK1
为解析BoWl的调控机制，研究通过酵母双杂交筛选其互作蛋白，发现BoWl可与小GTPase蛋白BoARF1直接互作，该互作通过pull-down、LCI、Co-IP等实验得到进一步验证，而白化品系中突变的BoWl丧失了与BoARF1的互作能力。亚细胞定位显示二者共定位于细胞核，提示其共同参与转录调控过程。功能验证表明，BoARF1正调控叶绿素合成：瞬时过表达BoARF1可显著提高白化叶片的叶绿素含量，而沉默BoARF1则导致绿叶叶绿素含量下降。通过转录组分析和分子实验证实，BoARF1作为转录因子可直接结合叶绿体发育关键调控基因BoGLK1的启动子，激活其转录；而BoWl与BoARF1形成复合物后，可显著增强对BoGLK1的转录激活效应。BoGLK1的功能验证也证实其正调控叶绿体发育和叶绿素合成，过表达可恢复白化叶片的绿色表型。
图6 BoWl与BoARF1的互作验证及BoARF1的功能分析
图7 BoARF1直接结合BoGLK1启动子并正调控其表达
▎4. 低温响应模块BoCBF1/BoPHL2介导BoWl的低温诱导表达
为探究低温信号如何调控BoWl的表达，研究对BoWl的启动子序列进行分析，发现其包含保守的低温响应LTR顺式作用元件。通过酵母单杂交筛选，鉴定到MYB-CC家族转录因子BoPHL2可特异性结合该LTR元件，激活BoWl的转录。BoPHL2受低温显著诱导表达，其过表达可上调BoWl的表达并提高叶绿素含量，沉默则相反。进一步研究发现，低温响应核心转录因子BoCBF1与BoPHL2存在直接蛋白互作，二者形成复合物后可显著增强对BoWl的转录激活效应，且该激活效应在低温条件下进一步提升。转录组分析显示ABA信号通路核心基因在白化和绿叶品系中无显著差异，表明该低温响应过程依赖CBF通路而非ABA通路。
图8 BoPHL2直接结合BoWl启动子并调控其转录
图9 BoCBF1与BoPHL2直接互作形成复合物
图10 低温下BoCBF1增强BoPHL2对BoWl的转录调控效应
▎5. 低温诱导羽衣甘蓝新叶白化的分子调控模型
基于上述结果，研究团队提出了完整的调控模型：晚秋低温环境诱导BoCBF1大量表达，积累的BoCBF1与BoPHL2互作形成转录复合物，结合BoWl启动子的LTR元件，激活BoWl的表达。在绿叶羽衣甘蓝中，功能正常的BoWl与BoARF1形成功能复合物，促进BoGLK1的转录激活，进而调控叶绿体正常发育和叶绿素合成，新叶保持绿色；而在白化品系中，突变的BoWl无法与BoARF1互作，导致BoGLK1表达显著下调，叶绿体发育停滞、叶绿素合成受阻，最终新分化叶片表现为白化表型。
图11 低温诱导羽衣甘蓝新叶白化的分子调控模型
本研究首次克隆了控制羽衣甘蓝低温诱导白化的关键基因BoWl，揭示了一条全新的低温信号-叶绿体发育调控通路，具有重要的理论和应用价值：一方面，发现F-box蛋白BoWl不依赖经典的SCF泛素化降解通路，而是通过与BoARF1互作参与转录调控，同时拓展了ARF1蛋白除囊泡运输外的全新核功能，为植物蛋白功能研究提供了新的视角；另一方面，该通路的解析为羽衣甘蓝叶色性状的分子设计育种提供了关键靶点，可通过基因编辑、分子标记辅助选择等技术创制不同白化程度、不同温度响应阈值的羽衣甘蓝新品系，进一步提升其观赏价值和环境适应性。
未来可进一步探索该调控通路在十字花科其他植物中的保守性，以及光照、养分等环境因子对该通路的调控作用，为观赏植物叶色性状的精准定制和栽培管理提供更全面的理论支撑。
---原文链接--- https://doi.org/10.1111/jipb.70250
