劉祖培，李云海

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擬南芥MED16通過(guò)調(diào)節(jié)的表達(dá)調(diào)控核內(nèi)復(fù)制與細(xì)胞生長(zhǎng)

劉祖培，李云海

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，國(guó)家植物細(xì)胞與染色體工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

劉祖培博士

植物是人類(lèi)主要的物質(zhì)與能量來(lái)源。人們?nèi)粘Ｊ秤玫氖卟?、水果和主糧等均來(lái)自于植物。目前，隨著人口數(shù)量快速增加、耕地面積減少以及全球氣候變化對(duì)環(huán)境的影響，人類(lèi)與環(huán)境的矛盾日益凸顯，如何增加人類(lèi)食物與能源供給成為一個(gè)亟待解決的重大問(wèn)題。植物器官大小是提高植物生物能源的重要因素，深入了解植物器官大小的分子調(diào)控機(jī)制，挖掘高產(chǎn)基因資源，對(duì)育種工作者培育高產(chǎn)作物及解決人類(lèi)與環(huán)境的矛盾具有重大意義。

植物器官的發(fā)育起始于原基的分化，頂端分生組織(apical meristem)分化產(chǎn)生側(cè)生器官原基，進(jìn)而發(fā)育成不同器官，如葉片、側(cè)枝與花等。原基原始分生組織細(xì)胞首先經(jīng)歷相對(duì)分化程度低的對(duì)等分裂，進(jìn)而快速擴(kuò)繁細(xì)胞數(shù)目，隨著細(xì)胞分化進(jìn)一步加深，產(chǎn)生各種特化的母源細(xì)胞(maternal cell)，之后再分化成器官中的功能細(xì)胞。原始分生組織細(xì)胞起初的分裂能力較強(qiáng)，隨著細(xì)胞分裂能力降低，有些細(xì)胞停止分裂，進(jìn)入細(xì)胞擴(kuò)展期，而有些細(xì)胞 仍具有分裂能力，能進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)性分裂，此類(lèi)細(xì)胞被稱(chēng)為擬分生細(xì)胞(meristematic cell)。擬分生細(xì)胞經(jīng)歷數(shù)次分裂后，喪失細(xì)胞分裂能力，進(jìn)入細(xì)胞擴(kuò)展，最終發(fā)育成特定功能細(xì)胞。在器官的發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞繁殖與細(xì)胞生長(zhǎng)并沒(méi)有明顯的界限，擬分生細(xì)胞常常被已進(jìn)入細(xì)胞擴(kuò)展且體積較大的細(xì)胞所包圍，因此植物器官大小由細(xì)胞數(shù)目與細(xì)胞大小所決定。

細(xì)胞分裂和分化協(xié)同調(diào)控植物器官的生長(zhǎng)。在細(xì)胞分化過(guò)程中常常伴隨著細(xì)胞核內(nèi)復(fù)制發(fā)生(endoreduplication)，核內(nèi)復(fù)制是細(xì)胞核內(nèi)發(fā)生基因組復(fù)制，但細(xì)胞與細(xì)胞核不分裂，導(dǎo)致細(xì)胞核內(nèi)基因組倍性增加的現(xiàn)象。核內(nèi)復(fù)制現(xiàn)象在植物與動(dòng)物中普遍存在，且往往與細(xì)胞大小呈正相關(guān)關(guān)系。例如，果蠅()唾液腺細(xì)胞較一般體細(xì)胞面積大，且擁有較高的基因組倍性；擬南芥()葉片表皮細(xì)胞面積大小不一，利用流式細(xì)胞儀檢測(cè)擬南芥葉片表皮細(xì)胞DNA的倍性，可以檢測(cè)出2C、4C、8C、16C、32C與64C，且DNA倍性高的細(xì)胞體積比DNA倍性低的細(xì)胞體積大。已有研究表明，核內(nèi)復(fù)制增加了細(xì)胞核內(nèi)DNA水平，增多基因模板，有利于基因轉(zhuǎn)錄，同時(shí)也能促進(jìn)RNA與核糖體的合成，提高蛋白合成能力，能夠產(chǎn)生更多的能量與物質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)。在擬南芥中，細(xì)胞周期后期促進(jìn)復(fù)合體(anaphase promoting complex/cyclosome, APC/C)對(duì)核內(nèi)復(fù)制具有重要調(diào)節(jié)作用。CCS52A1與CCS52A2 (CELL CYCLE SWITCH PROTEIN 52 A1/A2)為APC/C復(fù)合體的激活子。CYCA2和CYCB1為細(xì)胞周期G2到M期轉(zhuǎn)變所必須的細(xì)胞周期因子。APC/C- CCS52A1/A2復(fù)合體可以促進(jìn)CYCA2和CYCB1降解，從而使細(xì)胞核內(nèi)基因組發(fā)生復(fù)制的細(xì)胞不發(fā)生分裂，導(dǎo)致核內(nèi)基因組水平倍增。與突變體細(xì)胞核內(nèi)DNA倍性降低，細(xì)胞變小。(DP-E2F-like1/E2Fe)編碼一個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制因子，可特異性結(jié)合啟動(dòng)子并抑制其表達(dá)。功能缺失突變體(-)的表達(dá)量上調(diào)，細(xì)胞核內(nèi)DNA倍性增加，從而導(dǎo)致細(xì)胞變大。因此，核內(nèi)復(fù)制對(duì)細(xì)胞大小具有重要調(diào)節(jié)作用。

本研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于植物器官大小的研究。利用模式植物擬南芥，我們?cè)谠缙诘难芯恐邪l(fā)現(xiàn)突變體可以產(chǎn)生大葉、大花與大種子的表型。為進(jìn)一步篩選增強(qiáng)子，我們發(fā)現(xiàn)(enhancer of)突變可以顯著增加植株葉、萼片和花的大小。通過(guò)基因克隆發(fā)現(xiàn)，編碼中介復(fù)合體亞基MED16蛋白。與(MED16 T-DNA插入突變體)單體突變體具有大葉、大花和大花序的表型。植株葉片與花瓣細(xì)胞顯著增大。通過(guò)流式細(xì)胞儀分析，我們發(fā)現(xiàn)植株葉片與花瓣細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)DNA倍性顯著增加，細(xì)胞核大小也顯著增大。以上結(jié)果表明MED16為核內(nèi)復(fù)制、細(xì)胞大小和器官大小的負(fù)調(diào)控因子。此外，MED16也負(fù)調(diào)控細(xì)胞分裂，植株葉片中細(xì)胞數(shù)目顯著多于野生型植株的相應(yīng)值。在MED16互作蛋白篩選過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)MED16可與轉(zhuǎn)錄抑制因子DEL1發(fā)生直接相互作用。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明MED16依賴(lài)DEL1結(jié)合于啟動(dòng)子區(qū)并抑制其表達(dá)。此外，MED16也可以結(jié)合于啟動(dòng)子區(qū)并抑制其表達(dá)。在植株中，與的表達(dá)量顯著性高于野生型植株的相應(yīng)值。遺傳分析表明，MED16很大程度上依賴(lài)于調(diào)控核內(nèi)復(fù)制與細(xì)胞大小(圖1)。因此，本研究揭示了核內(nèi)復(fù)制調(diào)控細(xì)胞及器官大小的新機(jī)制。此外，與遺傳關(guān)系表明MED16獨(dú)立于DA1調(diào)控植物器官大小，但雙突突變體產(chǎn)生比和都大的葉、萼片與花，暗示利用與基因型變異，可為培育其他大器官且具高生物產(chǎn)量的作物提供理論依據(jù)。該研究的相關(guān)成果于2019年6月7日在線發(fā)表于(doi:10.1105/tpc.18.00811)。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李云海課題組的博士生劉祖培和已畢業(yè)博士生陳剛為并列第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)資助。

圖1 擬南芥MED16功能模式圖

在野生型植株中(Col-0)，MED16可以通過(guò)DEL1結(jié)合于啟動(dòng)子區(qū)并抑制其表達(dá)，MED16也可通過(guò)未知轉(zhuǎn)錄因子(圖中“？”表示)結(jié)合于啟動(dòng)子區(qū)并抑制其表達(dá)。MED16還可抑制細(xì)胞分裂。在MED16功能缺失突變體()中，與表達(dá)量得到上調(diào)，導(dǎo)致核內(nèi)復(fù)制增加，細(xì)胞變大，同時(shí)MED16抑制細(xì)胞分裂能力解除，導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)目增多。