CIN-TCP转录因子通过促进细胞壁果胶降解调控内复制进程和表皮细胞大小的分子机制

为解决植物细胞如何协调内复制（endoreplication）与细胞壁重塑以调控细胞大小的科学问题，研究人员通过构建tcp△7七重突变体，发现CIN-TCP转录因子通过激活多聚半乳糖醛酸酶基因PGL1，降低果胶含量和分子量，从而促进内复制进程和细胞扩张。该研究揭示了果胶在内复制与细胞生长中的关键作用，为理解植物器官发育提供了新视角。

　　

植物细胞的生长是一个精密调控的过程，涉及核内DNA的内复制（endoreplication）和细胞壁的动态重塑。内复制是指细胞在不进行有丝分裂的情况下重复复制DNA，导致细胞倍性（ploidy）增加，这一过程与细胞体积扩张密切相关。然而，长期以来，科学家们对这两个过程如何协同调控细胞大小知之甚少。拟南芥叶片表皮细胞（pavement cells）的大小与倍性水平高度相关，但内复制如何与细胞壁机械特性耦合仍是一个未解之谜。

北京大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，揭示了CIN-TCP转录因子通过调控细胞壁果胶（pectin）代谢，促进内复制进程和细胞扩张的分子机制。研究人员利用遗传学、细胞生物学和分子生物学手段，阐明了CIN-TCP-PGL1通路在协调核内事件与细胞壁重塑中的核心作用。

研究主要采用了以下关键技术：1）构建tcp△7七重突变体（缺失7个CIN-TCP家族基因）；2）流式细胞术分析倍性分布；3）RNA测序（RNA-seq）和染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）鉴定靶基因；4）果胶免疫荧光标记和分子量分析；5）双荧光素酶报告系统验证转录调控。

CIN-TCPs促进细胞扩张和内复制
通过冷冻扫描电镜（cryo-SEM）发现，tcp△7突变体的子叶表皮细胞面积比野生型小2.5倍，叶肉细胞小2.3倍。流式细胞术显示突变体中高倍性（8C-32C）细胞比例显著降低，内复制指数（EI）下降，表明CIN-TCPs正调控内复制起始和进程。

CIN-TCPs调控细胞周期和细胞壁重塑相关基因
RNA-seq分析发现，tcp△7中4685个基因差异表达，富集于细胞周期和糖代谢通路。免疫荧光显示突变体细胞壁的脱酯化果胶（LM19标记）和钙交联果胶（2F4标记）信号增强，而纤维素无变化。酶活检测证实突变体的多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性降低。

CIN-TCPs直接激活PGL1表达
ChIP-seq和BLI（生物层干涉）实验证实TCP4结合PGL1启动子的CGGNCC元件。双荧光素酶报告系统显示TCP2/3/4/17可激活PGL1启动子活性，突变结合位点后活性丧失。

PGL1通过降解果胶促进内复制进程
构建PGL1过表达（PGL1-OX）和敲除（pgl1）株系，发现PGL1-OX的PG活性升高、果胶含量降低、细胞面积增大，而pgl1表型相反。流式细胞术表明PGL1特异性促进内复制进程（16C/8C比值增加），但不影响起始（8C/4C比值）。

遗传互作验证
在tcp△7中过表达PGL1可恢复高倍性细胞比例和细胞大小，但未改变叶片卷曲表型。FPLC分析显示PGL1-OX使果胶分子量从>200 kDa降至200 kDa，接近野生型水平。

果胶调控的普适性
另一条独立通路——miR775（通过抑制半乳糖基转移酶降低果胶）同样促进内复制进程，而内复制起始缺陷突变体ccs52a2的果胶水平无变化，进一步证实果胶特异性调控内复制进程。

该研究首次建立了细胞壁果胶与内复制进程的直接联系，提出“果胶-CIN-TCP-PGL1”调控模块：CIN-TCPs通过激活PGL1表达，降低细胞壁果胶含量和聚合度，从而促进内复制向高倍性阶段（>8C）推进，最终驱动细胞扩张。这一发现不仅解释了植物协调核内事件与细胞壁重塑的机制，也为作物遗传改良（如生物量和抗逆性）提供了新靶点。研究还暗示果胶可能作为机械信号分子，通过尚未明确的通路反馈调控细胞周期，这将是未来探索的重要方向。