劉祖培，李云海

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擬南芥MED16通過調(diào)節(jié)的表達調(diào)控核內(nèi)復制與細胞生長

劉祖培，李云海

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所，國家植物細胞與染色體工程重點實驗室，北京 100101

劉祖培博士

植物是人類主要的物質(zhì)與能量來源。人們?nèi)粘Ｊ秤玫氖卟恕⑺椭骷Z等均來自于植物。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環(huán)境的影響，人類與環(huán)境的矛盾日益凸顯，如何增加人類食物與能源供給成為一個亟待解決的重大問題。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)控機制，挖掘高產(chǎn)基因資源，對育種工作者培育高產(chǎn)作物及解決人類與環(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胞首先經(jīng)歷相對分化程度低的對等分裂，進而快速擴繁細胞數(shù)目，隨著細胞分化進一步加深，產(chǎn)生各種特化的母源細胞(maternal cell)，之后再分化成器官中的功能細胞。原始分生組織細胞起初的分裂能力較強，隨著細胞分裂能力降低，有些細胞停止分裂，進入細胞擴展期，而有些細胞 仍具有分裂能力，能進行非對稱性分裂，此類細胞被稱為擬分生細胞(meristematic cell)。擬分生細胞經(jīng)歷數(shù)次分裂后，喪失細胞分裂能力，進入細胞擴展，最終發(fā)育成特定功能細胞。在器官的發(fā)育過程中，細胞繁殖與細胞生長并沒有明顯的界限，擬分生細胞常常被已進入細胞擴展且體積較大的細胞所包圍，因此植物器官大小由細胞數(shù)目與細胞大小所決定。

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

本研究團隊長期致力于植物器官大小的研究。利用模式植物擬南芥，我們在早期的研究中發(fā)現(xiàn)突變體可以產(chǎn)生大葉、大花與大種子的表型。為進一步篩選增強子，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。通過基因克隆發(fā)現(xiàn)，編碼中介復合體亞基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。植株葉片與花瓣細胞顯著增大。通過流式細胞儀分析，我們發(fā)現(xiàn)植株葉片與花瓣細胞的細胞核內(nèi)DNA倍性顯著增加，細胞核大小也顯著增大。以上結果表明MED16為核內(nèi)復制、細胞大小和器官大小的負調(diào)控因子。此外，MED16也負調(diào)控細胞分裂，植株葉片中細胞數(shù)目顯著多于野生型植株的相應值。在MED16互作蛋白篩選過程中，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。進一步實驗證明MED16依賴DEL1結合于啟動子區(qū)并抑制其表達。此外，MED16也可以結合于啟動子區(qū)并抑制其表達。在植株中，與的表達量顯著性高于野生型植株的相應值。遺傳分析表明，MED16很大程度上依賴于調(diào)控核內(nèi)復制與細胞大小(圖1)。因此，本研究揭示了核內(nèi)復制調(diào)控細胞及器官大小的新機制。此外，與遺傳關系表明MED16獨立于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)。該研究的相關成果于2019年6月7日在線發(fā)表于(doi:10.1105/tpc.18.00811)。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學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。該研究得到了國家自然科學基金項目和中科院先導專項資助。

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DEL1結合于啟動子區(qū)并抑制其表達，MED16也可通過未知轉(zhuǎn)錄因子(圖中“？”表示)結合于啟動子區(qū)并抑制其表達。MED16還可抑制細胞分裂。在MED16功能缺失突變體()中，與表達量得到上調(diào)，導致核內(nèi)復制增加，細胞變大，同時MED16抑制細胞分裂能力解除，導致細胞數(shù)目增多。