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冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析
2026-09-14


一、蜡质角质层的基本结构与化学组成

蜡质角质层是陆生植物地上器官表皮细胞外侧分化形成的疏水脂质屏障，是植物适应陆生环境、完成水生向陆生演化的核心结构之一，广泛覆盖于叶片、茎秆、果实、花瓣等所有与空气接触的植物组织表面，是植物与外界环境物质交换、信号互作的第一道界面屏障[1]。该结构并非单一均质脂质层，而是由角质骨架与蜡质填充物共同构成的复合层状结构，整体结构稳定、组分复杂，结构与成分的特异性直接决定其生理功能的多样性[2]。

角质层核心骨架为角质聚合物，是一类由C16、C18羟基脂肪酸及环氧脂肪酸通过酯键交联形成的不溶性网状高分子聚合物，质地致密坚韧，为角质层提供基础结构支撑与机械防护性能。角质聚合物形成的网状孔隙中填充、覆盖着大量表皮蜡质，也是蜡质角质层发挥疏水屏障功能的核心组分。表皮蜡质属于超长链脂肪酸衍生物混合物，碳链长度多集中在C20-C34，主要包含超长链烷烃、初级与次级醇、醛类、脂肪酸、酯类及酮类等脂溶性化合物，不同组分配比直接影响蜡质的物理形态与屏障效率[3]。

从微观结构来看，蜡质角质层可分为两层结构：内层为嵌入细胞壁的角质层基质，与表皮细胞紧密结合，结构致密；外层为裸露于植物表面的表皮蜡质层，可呈现片状、管状、颗粒状等多种晶体形态，不同物种、不同组织及不同生长阶段的蜡质晶体形态存在显著差异。这种分层结构与组分多样性，让蜡质角质层既具备稳定的结构支撑能力，又拥有灵活的环境适配特性，为植物抵御各类外界胁迫奠定了结构基础[4]。


二、蜡质角质的生物合成与调控机制

植物蜡质角质的合成是一套高度有序、多酶协同的复杂代谢通路，全程定位于植物表皮细胞，分为脂肪酸从头合成、超长链脂肪酸延伸、蜡质衍生物修饰及胞外转运沉积四个核心阶段，各阶段精密衔接，受多种基因与环境信号协同调控。整个合成过程具有组织特异性，仅在表皮细胞中高效启动，保障脂质组分精准沉积于植物体表[5]。

合成起始于表皮细胞质体中的C16、C18饱和脂肪酸从头合成，这是蜡质与角质合成的基础前体物质。基础脂肪酸合成完成后，进入内质网延伸阶段，在脂肪酸延伸酶复合体（FAE）及CER2等核心蛋白的协同作用下，将短链脂肪酸逐步延伸为C20-C34的超长链脂肪酸（VLCFAs），这是蜡质组分区别于普通脂质的关键步骤。超长链脂肪酸生成后，通过两条核心分支通路进行修饰转化：其一为脱羧支路，将超长链脂肪酸转化为烷烃、次级醇、酮类物质；其二为酰基还原支路，生成初级醇与蜡酯，两类支路产物共同构成完整的表皮蜡质组分[6]。

合成后的蜡质组分需通过脂质转运蛋白、囊泡运输系统等多重途径，跨越细胞壁转运至植物体表，最终通过自组装形成特征性蜡质晶体结构，完成角质层的构建。在调控层面，蜡质角质合成受CER系列基因、MYB转录因子等核心基因的精准调控，同时环境胁迫可通过信号通路诱导合成通路关键基因的表达，动态调整蜡质组分含量与结构形态，使植物快速适配干旱、紫外辐射、低温等不良环境，实现代谢与环境的动态平衡[7]。


三、蜡质角质层的核心生物学功能与研究意义

蜡质角质层作为植物体表的核心保护屏障，兼具基础生理功能与环境胁迫适配功能，是植物生存、生长发育及抗逆应答的关键结构，在植物生理学、作物抗逆育种、植物病理学等领域具有重要研究价值。其最核心的生理功能是抑制非气孔性水分散失，致密的疏水蜡质组分可有效阻断植物组织内部水分向外扩散，在干旱环境中维持植株水分稳态，是植物耐旱的第一道物理屏障，直接决定植物的保水能力与抗旱性强弱[8]。

同时，蜡质角质层具备优异的抗逆防护与免疫防御功能。表层蜡质晶体可反射、吸收紫外短波辐射，减少紫外线对表皮细胞DNA与光合系统的损伤，提升植物紫外耐受能力；致密的角质蜡质结构可形成物理壁垒，阻碍真菌、细菌等病原微生物的附着、侵入与定殖，降低植物病害发生概率[6]。此外，该结构还可减少粉尘、污染物附着，维持植物体表清洁，同时缓解温度骤变、机械摩擦等物理胁迫对植株的损伤，保障植物正常生长发育[4]。

在农业与生态研究层面，蜡质角质性状是作物抗逆育种的重要靶标性状。作物蜡质含量、组分配比及晶体结构的优化，可显著提升作物抗旱、耐盐碱、抗病害能力，降低极端环境下的产量损失。同时，蜡质角质层的组分与结构变化可作为植物环境胁迫的生理标志物，为生态环境监测、植物适应性进化研究提供重要依据。当前，随着分子生物学技术的发展，蜡质角质的合成调控机制、胁迫应答机理及育种应用研究不断深入，对解析植物陆生适应性进化、培育高抗逆作物品种具有重要的理论与实践意义[9]。


四、蜡质角质相关文献分享
冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

期刊名称：Postharvest Biology and Technology

影响因子：7.3

DOI：https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2025.114019

1.研究内容

本研究以沾化冬枣“一代”与“二代”两个失水能力差异的品种为试验材料，探究4℃冷藏7d处理对冬枣果实品质、表皮微观形态、角质层化学组成以及角质层代谢相关基因表达的调控规律，解析冬枣采后低温贮藏条件下的果实保水生理与分子机制。

通过果实生理指标测定结合扫描电镜观察表皮蜡质微观结构，结果显示：无论采收期还是冷藏之后，“二代”冬枣保水能力更强，表皮蜡质层结构致密连续；低温贮藏会扩大蜡质层裂隙，加剧水分散失，但不会显著改变果实可滴定酸含量。

借助GC-MS对蜡质、角质单体开展组分定量分析，两个品种总蜡质含量相近，蜡质组分以三萜类物质为主；角质单体以羟基脂肪酸为核心组分，“二代”角质单体总含量达到“一代”的2.7倍。低温冷藏后，蜡质总体组分变化幅度小，而角质单体尤其是优势羟基脂肪酸单体发生显著积累。

进一步对果皮开展转录组测序分析并结合qRT-PCR验证基因表达。低温条件下，蜡质合成通路多数基因下调，而角质合成关键基因CYP94、PXG被显著诱导上调，且在保水性更好的“二代”品种上调幅度更高。采收时“二代”角质合成相关基因本底表达水平更高，造成两个品种对低温的响应差异。

开展Pearson相关性分析发现：总蜡质以及占主导的三萜类蜡质含量和果实失水率无显著相关；但角质单体总量、羟基脂肪酸角质单体含量与果实失水率呈显著负相关。同时CYP94、PXG基因的表达水平与羟基类角质单体积累显著正相关，推测这两个基因可促进角质单体交联，降低角质层水分通透性。

综上，本研究阐明冬枣采后冷藏保水性能并非由蜡质总量决定，而是依靠角质单体特别是羟基脂肪酸的积累，CYP94、PXG在该过程中发挥重要作用，为冬枣采后保鲜研究和耐贮品种选育提供理论支撑。


2.样本处理

本研究选取沾化冬枣“一代”和“二代”两个品种为试验材料，在山东滨州沾化区采集初红阶段、无病虫害与机械损伤的冬枣果实，运回实验室后清洗晾干；每个品种果实随机分为对照组与低温处理组（4℃、相对湿度90%条件贮藏7d），设置多组生物学重复，分别用于果实生理品质测定、扫描电镜表皮蜡质观察、GC-MS角质层蜡质与角质单体组分分析、果皮RNA提取及转录组测序；果皮样品采集后立即液氮速冻，-80℃保存，后续完成RNA-Seq测序，同时挑选候选基因开展qRT-PCR验证，所有理化测定均设置生物学重复，采用SPSS完成统计分析。


3.研究结果

（1）两个冬枣品种的表皮特性与果实品质

采收后对比两个冬枣品种：“二代”果实大于“一代”，果实横径、表面积分别高出12.1%、18.4%，单果重量高出55.7%（图1A、B、C）。低温贮藏后两个品种果实表面着色均进一步加深，“一代”果实颜色变化更加明显（图1A）。低温处理后两个品种果皮均出现明显皱缩，“一代”皱缩程度更严重；冷藏后，“一代”、“二代”果实重量损失分别达到13.1%、9.2%；硬度分别下降0.3%、12.3%（图1D、E）。尽管低温后“二代”果实硬度下降，但仍然显著高于“一代”（图1E）。可滴定酸（TA）是果实重要内在品质指标，结果表明低温贮藏不会改变冬枣该品质性状（图1F）。

两个冬枣品种表皮蜡质晶体形态差异显著。“一代”蜡质层存在大量裂隙；“二代”蜡质层结构更加连续完整，仅有少量零星裂隙。4℃贮藏后，“一代”与“二代”角质层蜡质裂隙尺寸均显著增大（图1A）。由此可见，从蜡质晶体形态角度，低温贮藏会增大蜡质裂隙，破坏蜡质层完整性，进而有可能加剧果实水分散失。

4℃贮藏条件下两个品种果实失水均显著上升；该结果与重量损失结果相互印证（图1D、G）。为比较采收时两个品种的保水能力，开展室温条件失水率测定：采收鲜果室温贮藏168h，每8h记录一次重量。整个贮藏周期中“一代”失水率持续高于“二代”，并且二者差距随贮藏时间不断扩大。室温贮藏112h之后，两个品种失水速率均明显上升，“一代”上升幅度更大（图1H）。上述结果表明：无论采收初始状态，还是低温贮藏阶段，“二代”果实均具备更强的保水能力。

综上，两个冬枣品种表皮性状（蜡质晶体形态、保水性能）存在显著差异，二者对低温贮藏的响应模式各不相同。因此有必要进一步解析果实表皮化学组成以及低温贮藏后的代谢变化。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图1.两个冬枣品种采收期（CK）以及4℃贮藏7d后的果实外观与生理品质指标。A：果实外观与表面蜡质形态；红色箭头指示裂隙；比例尺如图标注，10μm或5μm。B：果实横径（mm）。C：单果表面积（cm2·果-1）。D：单果重量（g·果-1）。E：果实硬度（105Pa）。F：果实可滴定酸（%）。G：贮藏过程果实失水率（%）；CK对照组室温贮藏7d。H：采收后室温条件下176h内果实失水动态变化（%）；数据点代表平均值±标准差（n=5）。不同字母代表组间差异达到P＜0.05显著水平，采用方差分析结合Duncan多重比较。


（2）两个冬枣品种果实角质层脂质组分对比分析

本研究在两个冬枣品种果实角质层一共鉴定出7大类蜡质组分；三萜类物质为绝对优势蜡质组分，在两个品种中占比均超过85%。“二代”总三萜含量略低于“一代”，但差异不显著（图2）。三萜类中桦木醇占比最高（35.0-45.0%），其次为齐墩果酸（20.1-31.0%）、熊果酸（14.8-21.7%）、β-香树脂醇（9.9-22.9%）；其中β-香树脂醇、桦木醇、齐墩果酸三个组分在品种间存在显著差异（图2A）。伯醇、正烷烃、脂肪酸是冬枣主要非环状蜡质组分。

冬枣脂肪族蜡质组分占总蜡质比例较低。脂肪酸、伯醇、醛类以偶数碳链为主，C28、C30为优势碳链；正烷烃以奇数碳链为主，C25含量最高。“二代”烷烃、脂肪醇含量分别比“一代”高61.6%、55.4%；但脂肪醛、植物甾醇含量更低；两个品种脂肪酸含量接近。碳链长度大于18的超长链脂肪族化合物仅占总蜡质的2.0-3.1%。尽管生理性状、部分蜡质单体含量存在差异，但“一代”总蜡质 “二代”总蜡质两个品种总蜡质含量无显著差异（图2A）。

与总蜡质不同，两个品种角质单体总含量差异巨大。“二代”角质单体含量达2809.2mg·m-2，是“一代”的2.7倍。两个品种角质层一共检测到13种角质单体。除C14:0二元酸以外，其余12种角质单体均表现为“二代”高于“一代”；其中9种单体“二代”含量为“一代”2倍以上。角质单体分为3大类：非取代脂肪酸、二元羧酸、羟基脂肪酸。羟基脂肪酸占绝对主导，在两个品种中羟基脂肪酸占角质单体总含量90%以上。“二代”的非取代脂肪酸、二元羧酸、羟基脂肪酸含量分别比“一代”高出68.0%、149.4%、175.3%（P＜0.01）（图2B）。品种间角质单体含量存在巨大差异，该差异与前文采后生理品质差异密切相关。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图2.采收期两个冬枣品种蜡质组分（A）与角质单体组分（B）比较。含量单位：mg·m-2果实表面积±标准差（n=4）。


（3）低温贮藏后果实角质蜡质组分的变化

低温贮藏之后，“一代”总蜡质含量显著下降10.4%（P＜0.05）（图3A）。三萜是蜡质最主要组分，两个品种三萜含量均无统计学显著变化；“一代”观察到下降趋势。最优势三萜单体桦木醇含量同样无显著变化（图3G）。低温贮藏处理后，对于超长链脂肪族蜡质组分：“一代”脂肪酸、脂肪醇、脂肪醛无显著变化，烷烃含量显著上升31.1%（P＜0.05）。“二代”脂肪醇、脂肪醛含量不变；脂肪酸、烷烃含量分别显著下降45.2%（P＜0.05）、34.6%（P＜0.05）（图3B-E）。综上：两个品种蜡质主体组分均没有显著改变；但是部分次要蜡质组分（烷烃、脂肪酸、植物甾醇）在其中一个品种内发生显著变化（图3）。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图3.“一代”与“二代”冬枣采收期（CK）以及4℃贮藏7d后总角质蜡质（A）、烷烃（B）、脂肪酸（C）、脂肪醛（D）、脂肪醇（E）、植物甾醇（F）、三萜类（G）含量。含量单位：mg·m-2果实表面积±标准差（n=4）。不同字母表示不同品种与贮藏条件之间差异P＜0.05，方差分析结合Duncan多重比较。


（4）低温贮藏后角质组分的变化

4℃低温贮藏后，两个品种角质单体总含量均显著上升；“一代”增幅更大。造成该现象的原因可能是“二代”初始角质单体本底含量已经处于很高水平（图4）。无论采收初始还是4℃贮藏之后，“二代”角质单体总含量以及三大类角质单体含量始终高于“一代”（图4）。两个品种13种角质单体整体变化趋势一致：除C14:0二元酸含量下降之外，其余全部角质单体含量显著上升。最主要角质单体diOH C16:0在两个品种均显著升高。

低温贮藏之后，虽然“一代”角质单体总量显著增加，但非取代脂肪酸、二元羧酸、羟基脂肪酸三者的相对占比全部下降。而“二代”优势羟基脂肪酸单体的相对占比上升0.8%。说明低温贮藏条件下，“二代”优先合成羟基类角质单体。“二代”低温贮藏失水率更低，与角质单体总量上升、羟基类单体占比提升相关。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图4.“一代”、“二代”冬枣采收期（CK）与4℃贮藏7d后角质单体总含量（A）、非取代脂肪酸（B）、二元羧酸（C）、羟基脂肪酸（D）。含量单位：mg·m-2果实表面积±标准差（n=4）。不同字母表示不同品种与贮藏条件之间差异P＜0.05，方差分析结合Duncan多重比较。


（5）低温贮藏冬枣果皮转录组与差异表达基因分析

低温处理组与对照组果皮转录组测序显示：4℃贮藏7d之后，“一代”鉴定得到38 574个差异表达基因；“二代”鉴定得到29 221个差异表达基因；二者共有差异基因17 039个（图5A）。KEGG通路富集分析，筛选19条富集程度最高通路；全部通路中，“二代”差异基因数量均低于“一代”（图5B）。

已有研究表明果实角质层主要成分为脂质，部分含有三萜类物质。在“脂质代谢”通路中：“一代”、“二代”分别存在3930、3296个差异基因；划分为14个子通路；“甘油脂代谢”、“脂肪酸代谢”显著富集；且“一代”这两条通路差异基因数目高于“二代”（图5C）。“萜类与聚酮类代谢”通路：“一代”604个差异基因，“二代”536个差异基因，分为7个子通路；其中三萜骨架生物合成通路富集效应最为显著；该通路的差异变化程度“一代”高于“二代”（图5D）。结果表明低温贮藏条件下两个品种果皮角质层相关基因均发生活跃转录调控，且品种间存在明显差异。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图5.两个冬枣品种4℃贮藏后差异表达基因韦恩图（A）；KEGG通路富集（B），包含脂质代谢通路（C）、萜类聚酮类代谢通路（D）。


（6）角质层相关差异基因及其表达分析

大量基因参与植物角质层脂质代谢，涵盖角质脂质合成、转运、调控全过程。从KEGG数据库筛选10条可能参与角质层合成的二级通路。在“角质、木栓质与蜡质生物合成”通路，两个品种共有36个差异基因。编码烷烃合成关键蛋白CER1的CL3828.Contig3_All基因，在两个品种低温贮藏后分别下调516.7倍、4.7倍。编码长链蜡酯合成蛋白WSD1的CL9986.Contig20_All，在“一代”上调25.8倍，在“二代”上调13.0倍。

低温贮藏之后，大部分非三萜来源脂肪族蜡质合成相关差异基因发生下调；“一代”下调占比52.6%，“二代”下调占比42.1%。与之相反，角质合成通路中大量羟基脂肪酸合成相关基因上调。PXG基因被认为通过催化环氧脂肪酸中间体生成，参与多羟基脂肪酸与二元羧酸的生物合成。共有8条PXG基因位于共同差异基因集中；低温贮藏之后两个品种全部PXG基因上调。该表达变化与角质单体采后积累现象吻合，说明PXG在低温贮藏角质层强化过程发挥功能。与此同时，编码羟基脂肪酸合成关键酶CYP704B1的CL3717.Contig1_All，在“一代”下调39.6倍，在“二代”下调7.8倍。参与16-阿魏酰棕榈酸合成的HHT1基因CL5161.Contig9_All，在两个品种分别上调8.8倍、21.2倍（图6A）。

除共有差异基因之外，还存在品种特异性表达模式。低温贮藏后，“一代”在“角质、木栓质、蜡质合成”通路鉴定出33个品种特有差异基因，主要编码CYP704B1、CYP94A1、CER1、HHT1、PXG、WSD1；“二代”检测到19个特有差异基因，主要涉及CYP704B1、CYP86A1、FAR、HHT1、CER1、MAH1、PXG、WSD1。这说明两个品种低温贮藏之后角质代谢调控网络存在分化；共有差异基因与品种特异性基因共同驱动角质单体积累。

在研究低温贮藏角质层变化的同时，也需要考虑两个品种采收本底角质层固有差异。因此进一步比较采收期（CK）两个品种蜡质、角质合成通路差异基因。结果显示：大部分编码CYP704B1、CYP86A1、WSD1的差异基因，“二代”表达水平高于“一代”。采收阶段这种品种特异性转录组特征，与“二代”本底羟基脂肪酸含量更高的结果相互印证，说明品种固有的转录本差异塑造了两个品种对低温贮藏的后续响应模式。

选取低温贮藏7d之后10条两个品种共有的差异基因开展qRT-PCR验证。qRT-PCR表达变化趋势与RNA-Seq测序结果基本一致。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图6.角质-木栓质-蜡质生物合成通路差异基因表达（A），以及qRT-PCR验证基因表达结果（B）。


（7）低温贮藏角质单体积累与角质合成基因表达的相关性分析

低温贮藏过程角质单体总量变化幅度显著高于蜡质，变化主要来源于最优势角质单体——羟基脂肪酸。为进一步解析羟基脂肪酸合成调控机制，从两个品种筛选26条角质合成相关差异基因（图6A），开展基因表达量与羟基类角质单体含量的相关性分析。结果显示6个基因表达与羟基类单体积累存在相关性；其中4个基因与绝大多数羟基类单体积累呈显著正相关（图7）。

总体而言，CYP94与PXG基因在冬枣低温贮藏后羟基类角质单体积累过程发挥关键作用。

冬枣不同失水速率品种果实角质层的化学与转录组分析

图7.羟基类角质单体含量与角质合成相关基因表达的相关性热图，颜色代表正负相关，圆圈大小代表相关强度；圆圈内星号代表显著性：*P＜0.05，**P＜0.01，***P＜0.001。



4.结论

本研究以冬枣“一代”、“二代”两个品种为材料，对比分析二者果皮表皮性状、角质层化学组成、角质层相关基因表达，同时解析4℃低温贮藏7d之后各项指标的变化规律。尽管总蜡质含量水平接近，但“二代”保水能力更强，蜡质层结构更加致密连续；并且“二代”角质单体总含量显著高于“一代”。4℃贮藏7d后，两个品种总蜡质含量均未上升；但是二者角质单体总含量、优势羟基脂肪酸角质单体含量均显著上升。该变化伴随CYP94、PXG基因表达显著上调；这两个基因可能促进角质单体交联，降低角质层水分通透性。相关性分析结果表明：贮藏冬枣果实保水性能主要依赖角质单体总量以及优势羟基脂肪酸单体积累。本研究为冬枣采后保鲜研究奠定基础；后续需要进一步开展功能验证，解析关键角质组分、关键基因在保水与维持采后品质中的生物学功能。


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