南京农业大学团队利用多组学分析揭示PbWRKY43调控梨石细胞形成的分子机制
石细胞木质化是决定梨果实口感品质的核心因素，石细胞集中分布在梨果近果心区域，含量过高会导致果肉粗糙、汁液减少、风味变差；梨基因组测序完成后，现有研究多聚焦单类木质素合成结构基因，仅在‘砀山酥梨’中初步解析果心木质化特征，缺乏对翠冠梨果实不同部位（石细胞富集区 SR / 稀少区 SL）发育全过程多组学的系统整合分析，且调控果心石细胞形成的关键转录因子及其分子通路尚不明确。近日，Horticultural Plant Journal在线发表了南京农业大学张绍铃院士团队题为Transcriptomic, proteomic and metabolomic analyses reveal PbWRKY43 regulates the formation of stone cell in ‘Cuiguan’ pear的研究论文。组织染色与含量测定证实翠冠梨石细胞、木质素大量富集在近果心 SR 区；花后 55 d SR 区石细胞、木质素含量分别比 SL 区高 3.11%、0.19%，且随果实发育二者含量持续上升。苯丙烷途径关键合成酶（PAL、C4H、C3H、CAD）活性在 SR 区显著更高，55 d 时 PAL、C4H、C3H 活性分别较 SL 区高出 8.94、24.93、22.43 U・g⁻¹；仅 POD 酶活性随发育持续下降，SR 区活性始终高于 SL 区，证明果心木质素合成代谢更旺盛。三个发育时期共鉴定 3479 个差异表达基因 DEGs，SR 区上调 DEGs 显著富集苯丙烷生物合成、细胞壁构建、激素信号通路；SL 区上调基因富集光合作用、氧化还原通路。木质素合成关键结构基因（HCT、C3H、4CL、CAD、PAL）多数在 SR 区上调，且 15/35 DAF 表达量最高；143 个差异转录因子中 WRKY、MYB、bZIP 家族多数在 SR 区高表达，是调控木质化的候选因子。植物激素信号通路大量基因差异表达，油菜素内酯 BR、赤霉素 GA、生长素 IAA 相关基因在 SR 区显著上调，激素信号参与调控果心石细胞发育。DIA 定量蛋白组共鉴定 5052 个梨果实蛋白，筛选到 656 个差异蛋白 DEPs，蛋白鉴定覆盖度远高于以往梨果实相关蛋白研究。DEPs 显著富集次级代谢、氨基酸合成、苯丙烷通路；多个木质素合成 HCT 蛋白、BR/GA 激素信号蛋白（BAK1、GID1）在 SR 区蛋白丰度升高，协同促进细胞壁木质化进程。LC-MS 检测共筛选得到 187 个差异代谢物 DAMs，其中 32.4% 参与次级代谢合成；SR 区蔗糖、棉子糖等碳水化合物，油菜素内酯 BR 激素，以及咖啡酰莽草酸、阿魏酸、松柏醇等木质素前体代谢物含量显著高于 SL 区，为木质素合成提供充足碳骨架前体。SR 区有机酸大量下调，碳链长度小于 16 的小分子代谢物差异更显著，糖代谢与苯丙烷通路在果心区域协同激活，支撑木质素大量合成。花后 35 d 转录组与蛋白组联合分析显示共有 111 个基因同时存在转录、蛋白水平差异，63% 差异基因的 mRNA 与蛋白表达变化趋势保持一致，说明石细胞发育过程主要受转录水平调控。苯丙烷通路完整代谢流同步激活：上游 PAL/C4H/4CL、中游 C3H/HCT/CCoAOMT、下游 CAD/POD 对应的基因、蛋白、木质素前体代谢物在 SR 区同步上调，形成果心特有的木质素合成代谢模块。（六）核心转录因子 PbWRKY43 的筛选与功能验证WGCNA 共表达网络筛选获得 WRKY 家族转录因子 PbWRKY43，为拟南芥 AtWRKY43 同源基因，蛋白定位于细胞核；该基因在 SR 区持续高表达，与全部木质素合成结构基因高度正相关。梨果实瞬时转化试验：过表达 PbWRKY43 可使石细胞含量提升 24.48%、木质素含量提升 17.05%；沉默 PbWRKY43 后二者含量显著下降，同时 PbC3H1、PbCCoAOMT1 表达水平同步改变。异源转化拟南芥、烟草验证功能：PbWRKY43 过表达株系茎秆木质素含量显著上升，导管、木质纤维、束间纤维的次生细胞壁厚度明显增加，植株内源木质素合成基因整体上调。分子互作机制解析：双荧光素酶 DLR 试验、ChIP-qPCR 结果共同证明，PbWRKY43 能够直接结合 PbC3H1、PbCCoAOMT1 启动子区域的 W-box 顺式作用元件，正向激活两个木质素关键酶基因的转录，进而促进木质素沉积与石细胞形成。翠冠梨近果心区域蔗糖碳源供给充足，苯丙烷通路在基因、蛋白、代谢物多层级同步协同激活，油菜素内酯等激素信号共同参与调控；PbWRKY43 是正向调控梨果心石细胞形成的关键转录因子，通过直接转录激活 PbC3H1、PbCCoAOMT1 介导木质素生物合成。本研究构建的多组学数据集可为梨果实品质改良、石细胞发育分子调控提供理论支撑。
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