《Postharvest Biology and Technology》：Integrative histological and multi-omics analyses reveal hormone-driven cell regeneration mechanisms during postharvest wound healing in melon
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创伤愈合过程中，细胞分裂素和生长素通过调控ALDH、IPT、CYP735A及CYCD3等基因表达，促进新细胞层形成，揭示水果机械损伤后兼具物理封闭与细胞再生的双重修复机制。
王聪聪|胡彦平|朱蓓蓓|陈继豪|王峰|卢世琪|王敏
中国海南省农业科学院三亚研究所，三亚572025
摘要
采后伤口是新鲜水果腐烂和质量下降的主要诱因，因此促进伤口愈合对于限制病原体入侵和减少质量损失至关重要。尽管像木质素沉积这样的伤口封闭机制已经得到了充分研究，但在采后水果中依赖于细胞分裂的再生愈合过程仍知之甚少。在本研究中，我们以‘海虹1号’甜瓜品种为研究对象，通过综合组织学分析、靶向植物激素代谢组学和转录组测序技术，研究了伤口愈合在受伤后0天、1天、3天、6天、9天、13天和16天的动态变化。除了木质素和木栓质介导的伤口封闭外，我们还观察到在木质化伤口表面下形成了一层新的、扁平且呈切向排列的细胞，这表明采后伤口可能重新启动细胞分裂以支持再生愈合。激素分析显示，在受伤后一天内，吲哚-3-乙酸（IAA）和细胞分裂素的含量迅速增加。转录组分析表明，IAA合成基因ALDH以及细胞分裂素合成基因IPT和CYP735A的表达显著增强，这与激素积累的结果一致，表明它们在激素合成中起关键作用。与生长素信号传导（AUX1、ARF、GH3、SAUR）和细胞周期进展（CYCD3）相关的基因也得到了协同激活。WGCNA分析进一步识别出富含MCMs、CDCs、AUX1、CYCD3和ERF的激素相关模块，这些模块可能是再生细胞形成的潜在调节因子。本研究提供了综合证据，证明采后甜瓜果实伤口可以重新启动激素诱导的细胞分裂，而不仅仅是依赖被动伤口封闭。这些发现为增强采后伤口再生提供了新的机制见解，并确定了潜在的分子靶点。
引言
甜瓜（Cucumis melo L.）是一种全球重要的经济园艺作物，因其甜味和多汁的质地而备受青睐（Peng等人，2024年）。然而，甜瓜产业的迅速发展伴随着维持采后质量的严重挑战（Liu等人，2014年；Wang等人，2020年）。据估计，每年约有30%的新鲜水果和蔬菜因采后质量下降而损失，导致巨大的经济损失（Lalpekhlua等人，2024年）。机械损伤是园艺作物采后质量下降的主要原因之一（Pei等人，2024年；Yang等人，2020年）。在收获、包装、运输和储存过程中，水果经常受到撞击、振动和压缩等机械力的影响，导致组织损伤（Uarrota等人，2016年；Xue等人，2023年）。这种损伤会破坏保护组织的完整性，引发细胞破裂、水分流失和代谢失衡，进而破坏重要的生理过程，导致表面塌陷以及外观和商业价值的显著下降（Ge等人，2021年）。此外，受损组织为病原体提供了入侵途径，从而加速衰老、腐烂和整体质量下降（He等人，2024年；Yan等人，2019年）。
植物进化出了内在的伤口愈合机制，能够修复受损组织（Marhava等人，2019年）。通常认为有两种不同的伤口愈合模式：一种是伤口封闭，即在受伤部位沉积木质素等修复相关物质形成物理保护屏障（Gao等人，2023年；Xu等人，2024年）；另一种是细胞再生，依赖于恢复性细胞分裂和增殖来替换丢失或受损的细胞（Yang等人，2024年；Zhou等人，2019年）。有效的伤口愈合对于减少采后水分流失、恢复组织功能以及防止病原体入侵至关重要（Gao等人，2024年；Ge等人，2021年；Hoermayer等人，2020年）。
在园艺作物中，关于采后伤口愈合的研究主要集中在屏障形成和封闭机制上（Li等人，2024a）。在甜瓜（Li等人，2022年；Wang等人，2021年）、木薯（Manihot esculenta）（Wang等人，2023a；Wang等人，2023b）、马铃薯（Solanum tuberosum）（Yang等人，2025年；Zheng等人，2023年）、苹果（Malus domestica）（Zhang等人，2020年）和猕猴桃（Actinidia chinensis）（Wei等人，2021年）等物种中，伤口部位的苯丙素途径激活促进了木质素和其他酚类化合物的积累。这些代谢物增强了伤口屏障，从而提高了对病原体入侵的抵抗力并延缓了采后质量下降。然而，由于收获后的园艺作物与母体营养供应分离且处于高度成熟和分化的状态，它们是否仍能重新启动细胞分裂和组织再生以修复伤口尚不清楚。
目前对植物细胞分裂和再生的认识主要来自模式物种的根、茎和叶的研究（Iida等人，2023年；Lee等人，2024年）。细胞再生是一个复杂且受到严格调控的过程，由多种植物激素和转录因子协调控制（Ikeuchi等人，2020年；Zhou等人，2019年）。在拟南芥中，伤口部位的生长素积累通过激活转录因子ERF115来促进根再生，从而触发再生性细胞分裂（Hoermayer等人，2020年；Matosevich等人，2020年）。茉莉酸通过ERF109介导的ANTHRANILATE SYNTHASE COMPONENT 1（ASA1）上调来促进生长素合成，从而在叶片外植体中诱导从头根的形成（Zhang等人，2019年）。最近的研究表明，LEC2-SPCH-YUC信号级联通过增强局部生长素合成和积累来调节再生过程中的细胞命运决定（Tang等人，2025年）。Ikeuchi等人全面总结了植物组织修复和器官再生背后的激素信号网络（Ikeuchi等人，2020年）。作为伤口修复的基本机制，再生性细胞分裂能够重建组织结构并恢复生理功能（Yang等人，2024年；Zhou等人，2019年）。因此，阐明采后水果是否仍具有激素诱导的再生分裂能力对于理解伤口愈合的结构基础以及开发加速这一过程的策略至关重要。
在本研究中，我们使用甜瓜作为模型来探讨采后伤口愈合是否涉及细胞分裂和组织再生。为此，我们结合了显微观察、靶向植物激素代谢组学和不同愈合阶段的转录组分析。显微分析用于表征伤口愈合组织的结构特征并确定新细胞类型的出现。靶向代谢组学测定分析了伤口部位生长素、细胞分裂素和其他植物激素的积累情况，而转录组分析揭示了愈合过程中的基因表达动态变化。这种综合方法阐明了控制伤口诱导细胞分裂和再生的关键生物过程和信号通路，从而加深了我们对采后组织修复的代谢和分子基础的理解。
植物材料
本研究使用了由我们研究小组开发的‘海虹1号’甜瓜品种的种子。这些植物在中国海南省乐东县Folo镇的一个商业生产基地的温室条件下进行栽培（北纬18°42′，东经108°48′）。作物于2024年10月种植，植株间距为45厘米，垄间距为100厘米。采用了标准的本地甜瓜栽培方法。果实在其商业成熟期收获。
甜瓜伤口愈合组织中新细胞类型的观察
随着伤口愈合的进行，红色染色的木质素（图1）和木栓质（补充图S1）在甜瓜果实的受伤区域逐渐沉积。受伤后3天，伤口表面形成了连续且致密的木质化层以及木栓质沉积（图1D和补充图S1D），表明采后甜瓜果实表现出以木质素和木栓质协同沉积为特征的伤口封闭反应。
讨论
水果和蔬菜在收获、处理和运输过程中极易受到机械损伤。这种损伤常常为病原体提供入侵途径，加速组织衰老，最终降低采后质量和市场价值。在我们的研究中，机械损伤后接种病原体显著增加了甜瓜果实的呼吸速率和乙烯的产生，导致果实软化加速、重量损失增加以及品质明显下降。
结论
总之，本研究表明，甜瓜的采后伤口愈合是通过基于木质素的封闭作用和细胞分裂驱动的组织再生共同实现的。此外，特别是涉及生长素、细胞分裂素和 brassinosteroids 的激素信号传导与新形成的细胞群体的再生密切相关。关键基因ALDH、ARF和CYCD3与激素合成、信号传导和细胞周期激活密切相关。
作者贡献声明
王聪聪：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究设计、资金获取、数据管理、概念构建。胡彦平：方法学、研究设计、概念构建。朱蓓蓓：方法学、研究设计、概念构建。陈继豪：研究、数据分析。王峰：研究、数据分析。卢世琪：软件应用、研究。王敏：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究设计、资金获取、概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了三亚亚洲湾科技城项目（SKJC-JYRC-2024-44）、海南省农业科学院引进人才科研启动基金（HAASSC2025RCQD01）、海南省农业科学院重点合作项目（HAAS2025ZDGZ07）、国家西瓜和甜瓜产业技术体系（CARS-25-2024-Z22）以及热带水果和蔬菜遗传资源评估与利用重点实验室的支持。
