錐形細胞和表皮毛是植物體（特別是花瓣）表面常見的凸起細胞，在形態(tài)、大小和分布式樣等方面呈現(xiàn)出豐富的多樣性。這些凸起細胞的存在不僅增強了相應器官的復雜性，而且賦予了器官特定的生態(tài)學功能。前人在擬南芥、番茄、黃瓜、棉花和金魚草等物種中已經(jīng)鑒定出多個調(diào)控錐形細胞和表皮毛分化的關鍵基因，但由于缺乏在同一器官上的比較研究，關于不同類型凸起細胞的發(fā)育和進化機制以及它們之間的區(qū)別與聯(lián)系仍不清楚。

黑種草屬植物花瓣表皮毛發(fā)育和進化的分子機制

國家植物園（南園）孔宏智研究團隊以毛茛科（Ranunculaceae）黑種草屬（Nigella）植物為研究體系，綜合運用多種技術方法，系統(tǒng)研究了錐形細胞、短表皮毛和長表皮毛這三種凸起細胞的細胞學特征及其發(fā)育和進化機制。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管錐形細胞、短表皮毛和長表皮毛均為單細胞結構，但它們在形狀、長度、數(shù)量、分布模式、表面紋飾、細胞倍性、發(fā)育過程和形成機制等方面均存在明顯差異。MIXTA（其同源基因在多個物種中決定錐形細胞或表皮毛的身份）僅參與錐形細胞的發(fā)育，但并不調(diào)控長、短表皮毛的形成。兩類表皮毛的命運均由MYB-bHLH-WDR復合體-GL2通路成員決定，但關鍵調(diào)控因子的組合并不完全相同。其中，短表皮毛的命運由MYB5-1、GL3、TT8和GL2決定，而長表皮毛的命運則由MYB5-1、MYB5-2、GL3和GL2決定。在生態(tài)學功能上，短表皮毛作為微型支柱，使花瓣上、下唇之間保留微小縫隙，以便傳粉者吸食花蜜。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，黑種草屬植物花瓣上的長、短表皮毛均起源于類似長毛的祖先細胞；二者的進化分別涉及對MYB5-2和TT8的獨立招募。該研究不僅首次全面探討了同一器官上不同類型凸起細胞之間的區(qū)別與聯(lián)系，而且為深入理解花瓣復雜化（特別是表面復雜化）和新性狀起源的機制提供了新見解。

該研究成果于近日在線發(fā)表于國際學術期刊Nature Communications上。國家植物園（南園）已畢業(yè)博士研究生彭春喜、助理研究員姚序、已出站博士后傅學浩和在讀博士研究生呂森濤為本文共同第一作者，孔宏智研究員和山紅艷研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委和中國科學院項目的資助。

進化發(fā)育與調(diào)控基因組學研究組

組長：孔宏智研究員

郵箱：hzkong@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

1. 植物進化發(fā)育生物學；

2. 基因、基因家族和調(diào)控網(wǎng)絡的進化；

3. 植物系統(tǒng)學和分子生物地理學。

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻