用户成就丨Cell Reports：北大李磊团队揭示种皮“水分屏障”形成的遗传基础！

核心亮点

相干拉曼显微成像技术是本研究中木质素定位与功能验证的关键技术：它通过无标记、高特异性、高分辨率的优势，解决了传统染色法的固有缺陷，精准确认了种皮木质素的沉积位置（oi1 细胞层）和发育时序（9 DAF 起始），并为 LAC3/5/12/13 基因簇的功能验证提供了可靠的分子成像证据，是连接 “基因 - 木质素 - 种皮功能” 逻辑链的关键技术支撑。

种子的演化是陆生植物进化史上的重要事件。随着种子成熟，胚胎逐渐脱水并进入休眠阶段，在外界条件适宜时重新吸水、打破休眠并启动萌发 —— 这种生存策略帮助种子抵御逆境，是种子植物取得生态优势的重要创新。母体来源的种皮在保护胚胎及调控休眠与萌发中起关键作用，近年来研究表明木质素广泛存在于种皮中，但其遗传基础与精准沉积机制长期是未解之谜。

近日，北京大学现代农业研究院李磊团队在Cell  Reports期刊在线发表研究论文“The LACCASE3/5/12/13 clade  mediates seed coat  lignin deposition and  regulates imbibition and germination”，揭示了种皮木质素作为“水分屏障” 调控种子萌发的遗传基础和分子机制。这一突破的重要支撑之一，是借助振电科技 UltraView 多模态非线性光学相干拉曼显微成像技术，通过无标记分子特异性成像，精准验证了木质素在种皮oi1 细胞层的时空沉积特征， 补全了“种皮木质素定位” 的关键证据，为后续基因功能验证和机制解析奠定了核心基础。

图1 研究成果 The LACCASE3/5/12/13 clade mediates seed coat lignin deposition and regulates imbibition and germination

为精准验证种皮木质素的时空沉积特征，弥补传统碱性品红染色存在的非特异性信号干扰问题，研究选用振电科技 UltraView 多模态非线性光学相干拉曼显微成像系统，  开展无标记分子成像试验，该系统搭载飞秒激光器作为光源，泵浦光波长可调范围  680 – 1300 nm， 斯托克斯光固定为 1045 nm，通过60倍高数值孔径物镜（NA=1.2）对绿熟期拟南芥新鲜种子切片进行观测，扫描范围覆盖 1530–1880 cm^-1 ，最终聚焦木质素特异性芳香族 C=C 键对应的 1600 cm^-1 波长采集图像。

结果显示，相干拉曼显微成像技术清晰捕捉到 oi1 细胞层细胞壁周围的特异性信号，与碱性品红染色揭示的木质素沉积区域完全吻合，不仅明确了木质素在种子发育 9 DAF后开始在 oi1 层沉积的时序特征，更排除了胚乳角质层等其他成分的干扰，为木质素的精准定位提供了可靠的分子级证据。

相干拉曼显微成像技术在试验中的核心助力

相干拉曼显微成像技术作为一种无标记、高特异性、高分辨率的分子成像技术，为该研究解决了传统方法的局限性，其助力主要体现在以下几个方面：

图2 聚焦拟南芥种皮木质素的直接成像，核心为明确其沉积位置与发育时序：
A 为绿熟期种皮结构示意图，左侧是整体概览，右侧为局部放大图，标注了外珠被（oi）、内珠被（ii）、胚乳（en）和胚（em）等关键结构；
B 展示不同种子发育阶段（7-11 DAF）的碱性品红染色结果，通过不同颜色箭头区分层、胚乳角质层非特异性信号及角果内果皮 b 细胞，明确木质素从 9 DAF 开始在 oi1 细胞壁沉积，10 DAF 沉积进一步强化；
为野生型种子切片的 SRS 成像结果，箭头指向 oi1 层，右侧光谱图用虚线标注出木质素特异性信号峰（1600 cm-1），验证了木质素在 oi1 层的特异性沉积。

1. 突破染色法的非特异性局限，确保木质素定位的准确性

传统碱性品红染色虽能显示木质素分布，但该方法在“胚乳角质层” 会产生非特异性荧光信号（图2B 绿色箭头），可能干扰木质素的真实定位。而相干拉曼显微成像技术基于分子固有振动频率（木质素的芳香族  C=C 键在  1600 cm-1   的特征信号，芳香族C=C 键即芳香环[如苯环、酚环等环状共轭体系]中构成共轭大π键的碳碳双键， 是芳香族化合物的核心特征官能团）成像，仅对木质素产生响应，完全排除角质、黏液、单宁等其他种皮成分的干扰，精准确认木质素仅沉积于 oi1 细胞层。

2. 无标记成像保留样品天然状态，确保结果真实性

相干拉曼显微成像技术无需对种子样品进行固定、染色或化学处理（如脱水、包埋），可直接对新鲜种子切片成像。这一优势避免了化学处理可能导致对样本的干扰，确保观察到种子发育过程中的天然状态，为 “木质素在 9 DAF 开始沉积” 这一发育时序结论提供了可靠依据。

3. 高空间分辨率，揭示木质素的微观分布细节

相干拉曼显微成像技术搭配 60× 高数值孔径物镜（NA=1.2），可达到亚细胞级空间分辨率，能够清晰显示木质素在 oi1 细胞“细胞壁周围” 的连续分布（而非细胞内部或其他层），补充了染色法 “仅能观察到细胞层整体信号” 的不足。这种微观细节的揭示，为后续验证 “LAC3/5/12/13 在 oi1 细胞壁合成木质素” 的功能提供了关键空间证据。

相干拉曼显微成像技术是本研究中木质素定位与功能验证的关键技术：它通过无标记、高特异性、高分辨率的优势，解决了传统染色法的固有缺陷，精准确认了种皮木质素的沉积位置（oi1 细胞层）和发育时序（9 DAF 起始），并为 LAC3/5/12/13 基因簇的功能验证提供了可靠的分子成像证据，是连接 “基因 - 木质素 - 种皮功能” 逻辑链的关键技术支撑。

北京大学现代农业研究院/北京大学现代农学院博士后庄严为本文第一作者，  李磊研究员为通讯作者，北京大学生命科学学院博士研究生赵佳禾、北京大学现代农学院博士后肖亮和北京大学现代农业研究院科研助理刘欣对本论文亦有重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金和泰山学者计划的资助。

文献来源：

[1]Zhuang,  Yan  et  al. “The   LACCASE3/5/12/13  clade   mediates  seed  coat   lignin deposition  and   regulates   imbibition  and  germination. ” Cell   Reports,  vol.  44,12116584. 19 Nov. 2025, doi:10.1016/j.celrep.2025.116584