《Horticulturae》：Structural Diversification of Actinidia Trichomes and Modulation by Polyploidization
Xiaoqiong Qi,
Fei Han,
Lansha Luo,
Haiyan Lv,
Yanqing Deng,
Edmore Gasura,
Changsheng Xiao,
Xianzhi Zhang,
Yinghua Deng and
Xiaodong Xie
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这篇研究性文章（非综述）系统性地描绘了猕猴桃（Actinidia）属植物果实表皮毛（Trichomes）及果皮（Pericarp）的结构多样性，并深入探讨了多倍体化（Polyploidization）对其形态发育的分子调控机制。通过比较21个物种和14个栽培品种，研究发现表皮毛均为独特的二型性多细胞结构，其长度、密度与多倍体水平显著正相关。转录组分析揭示了235个差异表达基因（DEGs），并鉴定出两个阶段特异性调控基因（Achv4p15g023764.t1和 Achv4p01g000003.t1）。这项工作为通过靶向育种优化猕猴桃果实表面性状（如无毛可食果皮或增强物理防御）提供了关键的形态学和遗传学框架。
猕猴桃表皮毛与果皮的形态多样性及其演化
1. 引言
植物表皮毛是植物体表皮特化形成的单细胞或多细胞附属物，是植物与环境互作的关键界面。它们主要分为非腺毛（NGTs）和腺毛（GSTs）。在园艺学中，果实表面表皮毛直接影响果实外观、采后货架期和消费者偏好。猕猴桃（Actinidia）属植物以其丰富的果实表面形态（从光滑无毛到密被茸毛或具斑点）而著称，这不仅是物种分类的重要依据，也决定了果实的物理防御能力和采后特性。尽管在其他模式作物中已有深入研究，但猕猴桃属内多样化的表皮毛结构及其发育的分子机制，尤其是在多倍体化影响下的调控网络，仍不甚明晰。本研究旨在系统性评估猕猴桃表皮毛的形态多样性及其与果皮结构的整合，并阐明多倍体化调控其发育的分子基础。
2. 材料与方法
研究材料来自中国科学院武汉植物园国家猕猴桃种质资源圃，涵盖了代表所有四个分类组（净果组 Leiocarpae、斑果组 Maculatae、星毛组 Stellatae和糙毛组 Strigosae）的21个物种和14个商业品种。利用体视显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和组织切片技术对表皮毛和果皮进行形态学表征。通过秋水仙素诱导，从二倍体‘东红’品种获得了同源四倍体株系，用于比较转录组学和时序表达分析。差异表达基因（DEGs）通过RNA-seq技术鉴定，并进行GO和KEGG富集分析。数据统计分析使用SPSS软件完成。
3. 结果
3.1. 猕猴桃表皮与表皮毛的形态多样性
基于表皮毛形态，研究材料可划分为三个进化类群：无毛型（净果组）、斑点脱落型（斑果组）和宿存柔毛型（星毛组/糙毛组）。净果组表皮完全无毛，是培育可食皮品种的重要遗传资源。斑果组以具斑点（lenticulate）的表面结构为特征。星毛组/糙毛组则具有最丰富多样的表皮毛，包含中华猕猴桃（A. chinensis）、美味猕猴桃（A. deliciosa）和毛花猕猴桃（A. eriantha）等关键商业物种，其毛被进一步分为簇生短毛、簇生长硬毛（硬毛型）和极密簇生茸毛（软毛型）等系列。
3.2. 猕猴桃多细胞表皮毛的细胞学结构
所有观察到的猕猴桃表皮毛均为非腺毛，并具有独特的二型性（bipartite）结构，包括基细胞区和延长的柄细胞。在斑点果组中，结构相对简单。在柔毛组中，细胞分化更为明显。例如，中华猕猴桃的数十个基细胞聚集以支持多组放射状柄细胞，而毛花猕猴桃的柄细胞定向生长可超过1000微米。美味猕猴桃的毛表现为典型的硬毛结构。不同倍性（二倍体、四倍体、六倍体）栽培品种的表皮毛也呈现出多样的生长模式，如单分支、双分支和簇生型。
3.3. 猕猴桃类群间表皮毛的显微形态与密度变异
分析揭示了不同组间和种间在表皮毛长度上存在显著差异。在调查的16个物种中，毛花猕猴桃的表皮毛最长（1084.5 μm），而斑果组物种通常以微毛（100–350 μm）为特征。在14个商业品种中，定量评估揭示了表皮毛密度与长度之间存在权衡关系。中华猕猴桃品种通常具有更高的平均密度，而美味猕猴桃则产生显著更长的表皮毛。这些发现表明了不同的适应策略：中华猕猴桃优先发展密集的短毛覆盖，而美味猕猴桃则投资于稀疏的 elongated 硬毛。
3.4. 果皮厚度的比较分析
果皮厚度与分类组紧密相关，平均值范围为59.8 μm 至 534.6 μm。净果组的果皮最薄，仅由单层紧密排列的细胞构成。斑果组具有中等厚度。星毛组/糙毛组则拥有最厚的果皮，其中毛花猕猴桃的果皮最厚（534.6 μm）。在商业品种中，‘金魁’和‘徐香’（美味猕猴桃）的平均厚度最高，而‘金梅’最薄。值得注意的是，在表皮毛插入位点观察到了局部加厚现象，而无毛区域通常减少为单细胞层。这表明品种水平的选择是决定果皮坚固性的更关键因素。
3.5. 多倍体诱导表皮毛形态发生的转录组学分析
相关性分析显示，虽然表皮毛密度与倍性水平无显著相关，但表皮毛长度和总生物量与倍性水平呈极显著正相关。因此，更高的倍性水平导致单位面积表皮毛体积增加，使这些品种看起来毛被更密。对二倍体和同源四倍体‘东红’株系的比较转录组分析鉴定出235个差异表达基因（149个上调和86个下调），表明多倍体化引发了转录景观的深度重编程。GO和KEGG富集分析显示，这些DEGs主要参与氧化还原过程和阳离子结合等功能。研究还鉴定出一个由阶段特异性主效调控因子主导的双相调控机制。时序表达谱分析确定了两个关键候选基因：Achv4p15g023764.t1和 Achv4p01g000003.t1。前者作为早期形态发生调节因子，在活跃起始期（花后10-55天）表达达到峰值。后者则作为晚期成熟调节因子，在花后100天后显著上调，其活性可能与柄细胞的定向伸长和次生细胞壁加厚有关，这直接关系到多倍体中观察到的表皮毛长度增加和物理防御增强。
4. 讨论
本研究证实猕猴桃表皮毛是专一性的多细胞非腺毛结构，其独特的二型性多细胞架构是专为物理防御而优化的功能特化。不同组间在表皮毛长度和密度上的显著变异反映了不同的进化策略。果皮在表皮毛插入位点的局部增厚，增强了果皮的整体结构完整性。多倍体化是植物表型新颖性和环境适应性的主要驱动力之一。本研究对各种栽培品种和诱导的‘东红’同源四倍体系的研究提供了直接证据，表明多倍体化能显著改变表皮毛表型，增强其长度和密度，这种“巨大性”（gigas）效应可能通过增强植物对生物和非生物胁迫的耐受性而赋予竞争优势。候选基因Achv4p15g023764.t1和 Achv4p01g000003.t1的鉴定为未来的分子育种提供了路线图，其不同的时序表达模式表明存在一个多阶段的调控机制来管理猕猴桃毛发的发育。
总之，这项研究通过对猕猴桃属植物表皮毛形态和果皮架构的综合分析，建立了一个基于形态多样性和遗传基础的进化路线图。研究发现多倍体化能通过调节关键基因的表达，显著增加表皮毛的生物量。这些发现为通过种间杂交和基因编辑（如CRISPR/Cas9）等技术，精准育种优化猕猴桃果实表面性状（如培育无毛可食果皮或增强物理防御的品种）提供了科学框架和分子靶点，旨在推动具有增强采后韧性和优化果实美观度的新一代猕猴桃品种的培育，从而促进全球猕猴桃产业的经济和生物可持续性发展。
