中國農(nóng)業(yè)大學園藝學院郭仰東/張娜團隊揭示光信號調控番茄果實膨大的分子機理

　　

　　番茄果實發(fā)育從受精后的子房開始，經(jīng)歷坐果、細胞分裂、細胞擴張和成熟等階段。果實大小由細胞數(shù)量和細胞大小共同決定，細胞在授精后快速分裂，通常于花后8-14天停止，細胞分裂停止后果實膨大主要依賴細胞擴張。從授精到果實成熟，果實的細胞層數(shù)僅增加了約2倍，而細胞體積卻擴大了上萬倍。核內(nèi)復制是細胞擴張的主要驅動力。核內(nèi)復制是一種特殊的細胞周期，缺少了正常細胞有絲分裂周期中的M期，即DNA復制后細胞不分裂，導致細胞內(nèi)的DNA含量倍增，細胞體積隨之增大。這一過程在番茄果實發(fā)育中尤為顯著，番茄中果皮細胞的DNA倍性隨細胞層數(shù)不同而不同，變化范圍從2C到512C不等。果實最終鮮重與果皮細胞的平均倍性指數(shù)、細胞DNA含量密切相關。

　　

　　光照不僅是植物光合作用的能量來源，也是調控植物生長發(fā)育的重要信號。研究發(fā)現(xiàn)，光信號通過抑制細胞核內(nèi)復制從而抑制細胞擴張。果實中高表達的SlPIF1a為E3泛素連接酶基因 SlTLFP8 表達的激活子，SlTLFP8作為E3連接酶泛素化細胞周期調節(jié)因子SlCDKB2，SlCDKB2作用于細胞周期的G2/M期，該蛋白減少使細胞周期轉為核內(nèi)復制，提升細胞的倍性水平，促進細胞變大。SlCDKB2的泛素化降解引發(fā)G2期阻滯，抑制細胞分裂并促進核內(nèi)復制。SlPIF1a蛋白在黑暗中積累，激活上述通路，促進果實膨大。這一機制加深了對光信號與植物生長發(fā)育關系的理解，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的果實發(fā)育調控提供了新思路。

　　

　　光信號對果實的細胞擴張具有負調控作用。在排除碳同化和水分供應影響后，研究發(fā)現(xiàn)光照條件下的果實細胞小于黑暗條件下。通過果實晝夜膨大速率統(tǒng)計及不同透光套袋處理，發(fā)現(xiàn)果實夜間膨大速率高于白天，證實了果實膨大速度受到光信號影響。這為解釋設施內(nèi)光照不均導致的果實大小差異提供了依據(jù)，并為通過光照精準調控優(yōu)化番茄生長、提升果實品質和產(chǎn)量提供了新見解。

　　

　　研究還獲得了一個僅缺失了部分結構域的SlPIF1a蛋白突變體株系，缺失的結構域為PIF蛋白與光受體蛋白互作的區(qū)域。由于該結構域的缺失，導致該株系的PIF1a蛋白在光下仍能發(fā)生積累，持續(xù)促進 SlTLFP8 的表達，從而使果實變大。

　　

　　該論文由中國農(nóng)業(yè)大學園藝學院郭仰東教授和張娜副教授共同通訊，園藝學院已畢業(yè)博士生張姣姣（現(xiàn)任職河北科技師范學院）和在讀博士生許佳怡為共同第一作者，已畢業(yè)碩士生王馨曼（現(xiàn)任職上海市農(nóng)科院）、已畢業(yè)博士生李雙桃（現(xiàn)任職北京市農(nóng)林科學院）和郭祿芹（現(xiàn)任職四川南充市農(nóng)科院）參與了該研究。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心肖晗研究員、中國農(nóng)業(yè)大學孫亮副教授以及北京市農(nóng)林科學院蔬菜所宗梅老師在課題研究中給與了指導和幫助。該研究獲國家自然科學基金及中國農(nóng)業(yè)大學2115人才培育計劃等項目支持。

　　

　　張娜，中國農(nóng)業(yè)大學園藝學院副教授、博士生導師，本博均畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學。研究生期間曾獲教育部“博士研究生學術新人獎”。博士畢業(yè)后，受日本學術振興會資助赴北海道大學開展博士后研究。2017年9月以“優(yōu)秀人才”引進中國農(nóng)業(yè)大學，加入園藝學院蔬菜系郭仰東教授課題組。主要研究蔬菜生長發(fā)育對環(huán)境的適應機制，在PNAS、Advanced Science、New Phytologist、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Physiology、the Plant Journal等主流國際期刊發(fā)表論文十余篇。