木質素是一種對維持細胞壁結構完整性至關重要的生物聚合物，為莖稈提供強度和剛性。它由三種木質素單體——對香豆醇（p-coumaryl alcohol）、松柏醇（coniferyl alcohol）和芥子醇（sinapyl alcohol）——通過氧化聚合形成，這些單體通常通過苯丙烷/酪氨酸代謝途徑產生。木質素的生物合成非常復雜，可分為三個步驟：(a) 木質素單體的生物合成，(b) 運輸，以及 (c) 木質素單體的聚合。單體在植物細胞質中合成，隨后通過糖基化或ABC轉運蛋白等方式運輸到細胞壁，最后在過氧化物酶（POD）和漆酶（LAC）的催化下聚合。

表觀遺傳調控在控制植物發育過程中木質素生物合成和聚合基因的表達方面扮演重要角色。DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質重塑可以在不改變底層DNA序列的情況下，通過改變染色質可及性來激活或抑制木質素相關基因。在桉樹中，木質素生物合成基因（包括CAD2和CAD3）富含H3K4me3激活標記，這促進了它們在次生細胞壁形成期間的高表達。環境因素可以影響DNA甲基化，進而調節木質素生物合成基因的表達，將外部信號與次生細胞壁形成的表觀遺傳調控聯系起來。

除了表觀遺傳和轉錄控制，木質素生物合成還通過動態的蛋白質修飾在翻譯后水平受到嚴格調控，從而微調酶活性、蛋白質穩定性和信號輸出。翻譯后蛋白質修飾，包括泛素化、磷酸化和乙酰化，使得苯丙烷途徑中的關鍵酶和轉錄因子能夠被快速可逆地調節。在擬南芥中，鈣依賴性蛋白激酶（CDPKs）使PAL同工酶磷酸化，導致酶活性降低并減少流向木質素生物合成的代謝通量。在火炬松中，PtMAPK6磷酸化PtMYB4，從而抑制其反式激活細胞壁生物合成基因的能力，防止在分裂和擴張的細胞中過早沉積木質素。在毛竹中，PeKFB9作為SCF E3泛素連接酶復合物的一部分，靶向木質素生物合成酶PePAL10和轉錄因子PebZIP28667進行泛素化降解，從而在酶活性和轉錄水平雙重抑制木質素積累。

核果分為三層：外果皮（最外層，果皮）、中果皮（中間層，柔軟可食用）和內果皮（最內層）直接包裹種子。在棗、桃、李等核果中，內果皮堅硬且不可食用。內果皮從子房內層分離出來，各層緊密附著在種子上。內果皮硬化是核果的一個特征，始于果實趨向成熟時。次生細胞壁的形成及其木質化導致了內果皮的硬化。次生細胞壁由木質素、半纖維素、纖維素和少量果膠的不同層組成。

在不同核果中，內果皮木質化在開花后的不同時期開始。最近的關于木質化時間的研究表明，內果皮的形成是一個協調良好的機制，在2-3周內完成。核果經歷4個不同的階段，從發育到成熟。通常，核的硬化（木質化）始于果實從I期生長轉向II期期間，這導致果實生長減緩，呈現雙S形生長曲線，并導致中果皮生長暫停。內果皮木質化期間中果皮生長暫停，可能是由于木質化對碳和能量的需求增加，也可能是持續的胚胎生長所致。在桃果實中，木質素積累在開花后37天（DAB）開始，在59 DAB完成，此時內果皮變得足夠堅硬，無法用刀切割。在棗果實中，木質素積累在開花后25天（DAF）從內果皮基部開始。在梨果肉中，基于生物正交點擊化學的體內成像顯示，木質化在盛花后10天（DAFB）早期就開始了。

植物研究技術的進步使得研究內果皮木質化的遺傳背景成為可能。最近的證據表明，棗果實內果皮的木質化受一個先前未被識別的調控模塊控制，該模塊由轉錄因子ZjbZIP33及其下游靶標ZjPRX1（一種對木質素聚合至關重要的III類過氧化物酶）組成。在桃中，參與擬南芥角果開裂的大多數基因的同源物也參與了內果皮的發育。桃的SHP和STK基因同源物在授粉后不久在內果皮中上調表達。在庫爾勒香梨中，轉錄組學研究揭示了石細胞形成的遺傳背景，表明四個木質素生物合成基因（PAL1、C4H、HCT和CCR1-L）在開花后20天到80天持續表達。咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）是擬南芥中與木質素合成有關的關鍵酶。在桃果實中，PpCSE基因在果實發育后期（50和55 DAF）在內果皮組織中的表達量是中果皮組織的80.73和72.75倍。在杏中，對軟內果皮和硬內果皮品種的比較轉錄組學和形態學研究揭示了木質素生物合成基因的差異表達。

許多上游遺傳元件也參與調控木質素生物合成基因。轉錄因子在調節木質素形成中至關重要。在桃中，與擬南芥角果開裂相關的轉錄因子SHP、STK和IND的同源物在內果皮中上調，其表達在29 DAF時達到最大。在擬南芥中，果實開裂由組織特異性方式作用的激素響應性轉錄模塊控制，其中INDEHISCENT (IND) 轉錄因子通過激活GA3OX1促進局部赤霉素（GA）積累，導致DELLA不穩定并激活分離層中的ALCATRAZ (ALC)。值得注意的是，類似的調控元件在梨石細胞木質化過程中起作用，其中ARF轉錄因子和GA生物合成基因（如GA3OX1）調節內果皮中的木質素沉積和次生細胞壁加厚。在梨果實中，新的轉錄因子MYB24在木質素和纖維素生物合成基因的轉錄激活中起重要作用。PbrMYB24直接與另一個轉錄因子PbrNST1和PbrMYB169相互作用，并激活包括4CL1和CCoAOMT1在內的木質素生物合成基因的表達。PbrMYB24轉錄因子的過表達顯著增加了梨果實中的石細胞。

木質化通過植物激素對木質素生物合成酶及其表達調控轉錄因子的協同效應進行動態控制。生長素信號在梨石細胞分化過程中對木質化的調控至關重要。在該調控框架內，ARF及其下游靶標是石細胞木質化的關鍵調節因子。全基因組表征揭示了梨中有31個ARF基因，其中PbARF19（木質化抑制因子PtrARF2.1的同源物）在木質化組織和發育早期階段顯著表達。功能分析表明，PbARF19的過表達顯著抑制木質素生物合成基因的表達，導致梨愈傷組織和果實以及擬南芥中木質素積累減少。此外，PbARF19活性升高會抑制次生細胞壁加厚，證實其作為木質化負調節因子的功能。外源施用萘乙酸（NAA，一種合成生長素）可減少梨果實石細胞的木質化。外源施用NAA會上調生長素響應轉錄因子PbrARF13，從而下調PbrNSC的表達。NSC是一種NAC石細胞促進因子，可與木質素生物合成基因的啟動子結合，在其轉錄中起重要作用。通過外源施用合成生長素下調PbrNSC轉錄因子，可降低石細胞中的木質素含量。同樣，赤霉素（GAs）已被證明會影響內果皮發育和石細胞木質化，在果實成熟過程中調節木質素沉積方面起關鍵作用。在杏的軟、薄內果皮品種中，轉錄組數據顯示GA3OX1下調，表明內果皮中GA生物合成或信號轉導減少。這種下調可能導致次生細胞壁加厚和木質素沉積受限。外源施用GA?通過抑制PuMYB91和PuERF023轉錄模塊來抑制石細胞形成，從而減少木質素生物合成基因PuPRX73的激活，導致木質素積累減少。相反，由PbGA3OX4介導的內源性GA產生通過增加生物活性GA水平促進木質素沉積和石細胞發育。在棗果實中，外源施用IAA和GA?促進了內果皮中的木質素沉積，并上調了有核品種‘金絲’中ZjbZIP33和ZjPRX1的表達。最近在梨果實中的研究表明，鈣離子（Ca²⁺）信號通過抑制PuNAC21和PuDof2.5轉錄調控模塊的木質素生物合成來減少石細胞形成。Ca²⁺處理抑制PuNAC21，導致木質素生物合成基因PuPRX42-like和PuCCoAOMT1的激活減少，從而降低木質素沉積和石細胞積累。microRNAs (miRNAs) 和長鏈非編碼RNAs (lncRNAs) 也參與調控木質素生物合成。miRNAs是葡萄漿果核硬化階段的關鍵調節因子，作用于赤霉素信號和木質素生物合成的交匯點。高通量測序發現了核硬化特異性和發育調控的miRNAs，它們靶向參與次生細胞壁形成、激素信號和胚胎發育的基因。重要的是，GA處理會誘導VvmiR31-3p和VvmiR8-5p，它們直接抑制核心木質素生物合成酶VvCCoAOMT和VvDCAF1，從而減少木質素沉積、抑制核硬化和胚胎發育。激素和microRNAs共同調節甜櫻桃從發育到成熟的轉變，通過調控內果皮木質化和色素生物合成。miR156靶向的PavSPL轉錄因子在成熟前和成熟期間表達，并顯示出與木質化時間和果實成熟度差異相關的品種特異性表達模式。生長素相關處理改變了內果皮木質化和花青素積累，同時伴隨PavSPL表達減少，而共表達分析將PavSPLs與木質素和花青素生物合成途徑聯系起來。在毛白楊中，有36個屬于17個不同microRNA家族的microRNAs參與調控木質素生物合成基因。一些microRNAs在抑制主要木質素生物合成基因中起重要作用。miR397a抑制編碼主要木質素合成酶的漆酶基因。在中國梨中，miR397a的過表達導致三個漆酶基因同時受到抑制，從而降低了木質素含量。

由于核果果樹的幼年期長，木質素生物合成基因的穩定轉化仍需進行，因為需要很長時間來檢查木質素生物合成基因對果實內果皮的影響。然而，不同木質素合成基因的瞬時表達已經完成，并且研究了它們對內果皮組織木質素組成的影響。咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）在梨果實木質素生物合成中的作用已被研究。PbCSE1的瞬時過表達導致梨果實中木質素含量增加，而在擬南芥中，PbCSE1的穩定過表達導致莖中木質素積累比野生型擬南芥更多。草莓果實中查爾酮合酶（CHS）基因的瞬時沉默誘導了FaPOD27的表達水平，導致果實中木質素含量增加。已鑒定出多種可促進木質素合成基因表達的轉錄因子。在枇杷果實中，MYB轉錄因子EjODO1參與枇杷果實的木質化。EjODO1的瞬時過表達通過反式激活木質素合成基因Ej4CL1的啟動子，在果實發育早期觸發了木質素積累。已對脫木質素基因的瞬時表達進行了研究，并觀察到木質素含量減少。梨果實中PbrmiR397a的瞬時表達降低了木質素含量以及石細胞數量。PbrmiR397a在煙草中的穩定過表達通過抑制對木質素聚合重要的漆酶基因的表達，降低了木質素含量。PbrARF13是木質素石細胞發育的另一個負調控因子，在梨果實開花后35天（DAF）瞬時過表達降低了梨果實中的木質素含量。在開花后39天的梨果實中瞬時過表達PbrSAUR52表明它增強了石細胞形成和木質素積累，而PbrSAUR13則抑制這些過程，突出了它們在果實發育過程中調節石細胞木質化的相反作用。

果樹的長幼年期是利用基因編輯技術的一大障礙，因為在使用CRISPR/Cas9和RNA干擾技術編輯木質素生物合成途徑基因后，需要很長時間才能看到結果。因此，有必要縮短核果的長幼年期。在李子的研究中，研究人員通過過表達FLOWERING LOCUS T基因縮短了李子的長幼年期。結果，李子樹在移入土壤后1-10個月內開始開花和結果。FLOWERING LOCUS T基因在整合開花信號中起重要作用。PaFT基因在擬南芥中的過表達導致種子播種后18天內開始開花，而野生型植株在31天后才開始開花。在蘋果中，兩個FLOWERING LOCUS T基因的表達模式在不同組織中表現出不同的表達行為。MdFT1主要在成年期的結果枝頂芽中表達，而MdFT2主要在花芽和幼果中表達。MdFT1的過表達賦予蘋果提早開花的特性，并改變了其他內源基因（如MdMADS12）的表達。這表明MdFT1通過改變開花調控基因的表達來促進開花。這些研究證明，通過利用FLOWERING LOCUS T基因，也可以縮短核果的長幼年期。一旦長幼年期縮短，就可以在短時間內研究內果皮的表型。

無核果實的開發是一個引人入勝的研究和創新領域，特別是對于尋求便利的消費者和旨在減少浪費的生產者。通過消除果核，這些果實提供了更高的便利性、減少的浪費以及潛在的新穎烹飪應用。通過將傳統育種方法與生物技術相結合，美國農業部農業研究局的科學家們通過開發無核李子推進了果樹育種。無核果實的想法并不新鮮，早在20世紀初，多產的園藝學家盧瑟·伯班克就將部分無核的野生李子與加州法國李品種雜交。這些雜交產生了幾乎完全無核但仍含有種子的商業品質果實。目前，美國農業部農業研究局的科學家利用伯班克的無核品種啟動了新的育種計劃。研究人員將伯班克的無核品種與早花性狀進行了工程改造，希望以此加速育種計劃以開發無核李子。無核李子和有核李子的木質素生物合成基因表達相似，這表明無核李子的內果皮組織中表達了一些其他基因，抑制了木質素的積累。無核李子內果皮中的細胞數量顯示減少，內果皮組織中細胞的減少導致了無核果實的發育。在無籽蘋果品種中，存在核心組織，降低了無籽蘋果的吸引力。MADS14和MADS15是心皮基因，但它們在蘋果核心組織中的表達導致木質素積累。通過使用RNAi技術下調MADS14和MADS15，可以開發出無核心蘋果。因此，通過下調核心木質化基因，未來有希望開發出無核品種。

食用核果而不必擔心果核，對消費者來說是非常理想的，這可能會增加水果消費和種植者的利潤，同時降低加工成本。開發無核核果需要靶向堅硬的木質內果皮，這主要是通過結構基因（PAL、C4H、C3H、CCoAOMT、CAD、PRX1）和轉錄因子（MYB24、NST1、bZIP3、bZIP48）介導的木質素聚合形成的。激素信號（生長素、赤霉素、Ca²⁺）和microRNAs（例如miR397a、miR31-3p、miR8-5p）調節這些基因，微調木質素沉積和次生細胞壁加厚。木質素途徑基因和轉錄因子的鑒定為阻斷核發育的下一步鋪平了道路。通過CRISPR/Cas9和RNA干擾對木質素生物合成基因進行敲除或敲低，可以導致無核核果的開發。到目前為止，尚未通過基因工程技術實現開發無核果實的實際成功，因為轉化植物需要較長的營養生長期。然而，CRISPR/Cas9技術已應用于其他作物。在甘蔗中，使用CRISPR/Cas9下調LIM結構域轉錄因子（LIM）降低了木質素生物合成基因（包括SoPAL、SoC4H和SoCAD）的表達水平。甘蔗的編輯品系降低了木質素含量并具有較高的紫丁香基/愈創木基（S/G）比率。在雜交楊樹（銀白楊 × 腺毛楊）的另一項研究中，使用CRISPR/Cas9基因靶向敲除咖啡酰莽草酸酯酶基因導致木質素減少29.1%。這些證據表明，利用CRISPR/Cas9技術敲低木質素生物合成基因，可能在不久的將來導致無核果實的開發。在蘋果和梨植株中敲除編碼開花抑制蛋白的TFL1基因后，基因編輯的品系表現出提早開花和更短的營養生長期。早花FLOWERING LOCUS T基因的過表達減少了許多果樹的營養生長，包括李子、蘋果和鱷梨。因此，未來首先開發早花核果，其次敲低或敲除木質素生物合成基因，可能會在短期內導致無核核果的開發。木質素單體在細胞壁中的聚合對于硬內果皮的發育是必要的，許多轉錄因子和木質素單體生物合成基因已被研究，通過基因編輯技術下調這些轉錄因子和基因將產生內果皮薄的核果，這是由于細胞壁中木質素單體的聚合減少所致。除了木質素生物合成基因，還有一些證據表明，花同源異型蛋白（Pistillata）的表達通過顯示蘋果核心中木質素較少而改變了葡萄和蘋果果實的形狀。因此，未來通過在果實中過表達花同源異型蛋白（Pistillata）有可能開發出無核果實。在內果皮發育階段，在內果皮特異性組織中時空表達花同源異型蛋白（Pistillata）的新思路可能會引領無核果實的開發。