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利用模式植物拟南芥证实MED16依赖于CCS52A1/A2调控核内复制与细胞大小

2020-02-29 537 上传者：管理员

摘要：植物器官的发育起始于原基的分化，顶端分生组织(apicalmeristem)分化产生侧生器官原基，进而发育成不同器官，如叶片、侧枝与花等。原基原始分生组织细胞首先经历相对分化程度低的对等分裂，进而快速扩繁细胞数目，随着细胞分化进一步加深，产生各种特化的母源细胞(maternalcell)，之后再分化成器官中的功能细胞。

关键词：
拟南芥
植物器官
细胞生长
表达调控
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植物是人类主要的物质与能量来源。人们日常食用的蔬菜、水果和主粮等均来自于植物。目前，随着人口数量快速增加、耕地面积减少以及全球气候变化对环境的影响，人类与环境的矛盾日益凸显，如何增加人类食物与能源供给成为一个亟待解决的重大问题。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调控机制，挖掘高产基因资源，对育种工作者培育高产作物及解决人类与环境的矛盾具有重大意义。

植物器官的发育起始于原基的分化，顶端分生组织(apicalmeristem)分化产生侧生器官原基，进而发育成不同器官，如叶片、侧枝与花等。原基原始分生组织细胞首先经历相对分化程度低的对等分裂，进而快速扩繁细胞数目，随着细胞分化进一步加深，产生各种特化的母源细胞(maternalcell)，之后再分化成器官中的功能细胞。原始分生组织细胞起初的分裂能力较强，随着细胞分裂能力降低，有些细胞停止分裂，进入细胞扩展期，而有些细胞仍具有分裂能力，能进行非对称性分裂，此类细胞被称为拟分生细胞(meristematiccell)。拟分生细胞经历数次分裂后，丧失细胞分裂能力，进入细胞扩展，最终发育成特定功能细胞。在器官的发育过程中，细胞繁殖与细胞生长并没有明显的界限，拟分生细胞常常被已进入细胞扩展且体积较大的细胞所包围，因此植物器官大小由细胞数目与细胞大小所决定。

细胞分裂和分化协同调控植物器官的生长。在细胞分化过程中常常伴随着细胞核内复制发生(endoreduplication)，核内复制是细胞核内发生基因组复制，但细胞与细胞核不分裂，导致细胞核内基因组倍性增加的现象。核内复制现象在植物与动物中普遍存在，且往往与细胞大小呈正相关关系。例如，果蝇(Drosophilamelanogaster)唾液腺细胞较一般体细胞面积大，且拥有较高的基因组倍性；拟南芥(Arabidopsisthaliana)叶片表皮细胞面积大小不一，利用流式细胞仪检测拟南芥叶片表皮细胞DNA的倍性，可以检测出2C、4C、8C、16C、32C与64C，且DNA倍性高的细胞体积比DNA倍性低的细胞体积大。已有研究表明，核内复制增加了细胞核内DNA水平，增多基因模板，有利于基因转录，同时也能促进RNA与核糖体的合成，提高蛋白合成能力，能够产生更多的能量与物质，促进细胞的生长。在拟南芥中，细胞周期后期促进复合体(anaphasepromotingcomplex/cyclosome,APC/C)对核内复制具有重要调节作用。CCS52A1与CCS52A2(CELLCYCLESWITCHPROTEIN52A1/A2)为APC/C复合体的激活子。CYCA2和CYCB1为细胞周期G2到M期转变所必须的细胞周期因子。APC/C-CCS52A1/A2复合体可以促进CYCA2和CYCB1降解，从而使细胞核内基因组发生复制的细胞不发生分裂，导致核内基因组水平倍增。ccs52a2-1与ccs52a1-1突变体细胞核内DNA倍性降低，细胞变小。DEL1(DP-E2F-like1/E2Fe)编码一个转录抑制因子，可特异性结合CCS52A2启动子并抑制其表达。DEL1功能缺失突变体(del1-1)的CCS52A2表达量上调，细胞核内DNA倍性增加，从而导致细胞变大。因此，核内复制对细胞大小具有重要调节作用。

本研究团队长期致力于植物器官大小的研究。利用模式植物拟南芥，我们在早期的研究中发现突变体da1-1可以产生大叶、大花与大种子的表型。为进一步筛选da1-1增强子，我们发现eod9-1(enhancerofda1-1)突变可以显著增加da1-1植株叶、萼片和花的大小。通过基因克隆发现，EOD9编码中介复合体亚基MED16蛋白。eod9-1与med16-2(MED16T-DNA插入突变体)单体突变体具有大叶、大花和大花序的表型。med16-2植株叶片与花瓣细胞显著增大。通过流式细胞仪分析，我们发现med16-2植株叶片与花瓣细胞的细胞核内DNA倍性显著增加，细胞核大小也显著增大。以上结果表明MED16为核内复制、细胞大小和器官大小的负调控因子。此外，MED16也负调控细胞分裂，med16-2植株叶片中细胞数目显著多于野生型植株的相应值。在MED16互作蛋白筛选过程中，我们发现MED16可与转录抑制因子DEL1发生直接相互作用。进一步实验证明MED16依赖DEL1结合于CCS52A2启动子区并抑制其表达。此外，MED16也可以结合于CCS52A1启动子区并抑制其表达。在med16-2植株中，CCS52A1与CCS52A2的表达量显著性高于野生型植株的相应值。遗传分析表明，MED16很大程度上依赖于CCS52A1/A2调控核内复制与细胞大小(图1)。

图1拟南芥MED16功能模式图

因此，本研究揭示了核内复制调控细胞及器官大小的新机制。此外，da1-1与med16-2遗传关系表明MED16独立于DA1调控植物器官大小，但da1-1med16-2双突突变体产生比da1-1和med16-2都大的叶、萼片与花，暗示利用DA1与MED16基因型变异，可为培育其他大器官且具高生物产量的作物提供理论依据。

刘祖培,李云海.拟南芥MED16通过调节CCS52A1/A2的表达调控核内复制与细胞生长[J].遗传,2019,41(6):564-565.