FRUITFULL调控细胞周期：时间序列单核RNA-seq揭示花早期发育中细胞增殖与分化的关键节点

《Genome Biology》：The role of FRUITFULL controlling cell cycle during early flower development revealed by time-series snRNA-seq experiments

本研究通过时间序列单核RNA-seq技术，解析拟南芥花早期发育中细胞周期与分化程序的转录组动态，发现FRUITFULL（FUL）通过直接激活细胞周期抑制因子KRP2，在细胞周期退出与发育分化分支点中起关键调控作用，为植物器官发生中细胞命运决策机制提供了新见解。

　　

植物在胚胎后发育过程中，需要持续生成新的器官来响应内外源信号，这一过程依赖于细胞增殖、生长与分化的精确协调。然而，在花早期发育中，细胞周期如何与发育程序动态衔接，其分子机制尚不明确。为了解决这一问题，Chen等人利用同步化花发育系统，结合时间序列单核RNA测序（snRNA-seq）技术，绘制了拟南芥花早期发育的高分辨率转录组图谱，揭示了细胞周期与分化轨迹的分支点，并鉴定出MADS-box转录因子FRUITFULL（FUL）通过调控细胞周期抑制因子KIP-RELATED PROTEIN 2（KRP2）平衡细胞分裂与分化的关键作用。该研究发表于《Genome Biology》，为理解植物器官发生中的细胞命运决策提供了重要线索。

研究团队通过pAP1:AP1-GR ap1-1 cal-1系统同步化花发育，分别在诱导0天（S0）、2天（S2）、4天（S4）和8天（S8）采集花序组织，利用ICELL-8平台构建snRNA-seq文库，获得约4500个单核转录组。数据整合与聚类分析识别出11个细胞簇，其中C0、C1、C4和C8为分生组织相关簇。进一步对分生组织与萼片原基细胞进行伪时间分析，发现两条明显轨迹：一条与细胞周期进程相关（G1→S→G2→M），另一条与花发育程序相关。分支点位于S期对应的簇2，Moran's I检验显示KRP2表达与分支点显著相关。基因调控网络预测FUL为KRP2的关键调控因子，且已有ChIP-seq数据证实FUL结合于KRP2下游含CArG-box的调控区。通过构建含FUL结合区（pKRP2:KRP2-GFP:FUL_peak）与缺失该区（pKRP2:KRP2-GFP:w/o_peak）的转基因植株，发现FUL通过结合下游区域激活KRP2在花序分生组织（IM）和花分生组织（FM）中的表达。此外，利用植物细胞周期指示器（PlaCCI）系统发现ful-7突变体中G2期细胞比例显著降低，证实FUL通过调控KRP2影响G2/M转换。

snRNA-seq时间序列揭示花早期发育的细胞异质性

通过整合S0-S8样本与野生型花组织snRNA-seq数据，聚类分析识别出分生组织、花药、维管组织等多个细胞类型。分生组织簇（C0、C1、C4、C8）高表达细胞分裂相关基因（如POK1、CDC20.1），而花药簇（C7、C9、C10）富集花药发育标志基因（如AMS、CYP704B1）。

分生组织细胞轨迹存在细胞周期与发育程序的分支

伪时间分析显示，分生组织细胞沿两条轨迹分化：细胞周期轨迹（簇6→2→7→15→4）对应细胞周期阶段，发育轨迹（簇6→2→10→15→13→4→12→1→18→9→14）与花器官分化相关。KRP2在发育轨迹分支点后高表达，提示其可能介导细胞周期退出。

FUL通过直接结合KRP2下游区域调控其表达

EMSA实验证实FUL能以同源或异源二聚体形式结合KRP2下游两个CArG-box motif。转基因实验表明，缺失FUL结合区或ful-7突变均导致KRP2-GFP信号显著减弱，证明FUL直接激活KRP2转录。

FUL缺失扰乱细胞周期进程

PlaCCI系统显示ful-7突变体中G1期细胞比例升高，G2期细胞减少，表明FUL通过调控KRP2抑制G2/M转换，维持分生组织细胞增殖与分化的平衡。

研究结论强调，FUL-KRP2模块是花早期发育中细胞周期与分化程序协调的关键枢纽。FUL通过激活KRP2表达，促使细胞退出分裂周期并启动分化，同时可能通过调控其他KRP家族成员（如KRP1、KRP6）及DELLA蛋白（如RGL2）精细调节该过程。该工作不仅揭示了植物干细胞维持与器官发生的新机制，也为单细胞组学在解析发育动态中的应用提供了范式。未来需进一步探究FUL与其他因子（如SEP2、KAN2）在分支点中的协同作用，以及该调控网络在作物器官优化中的潜在价值。