BrSQE1和乙烯信号通路通过抑制细胞分裂来调控白菜（Brassica rapa subsp. pekinensis）的植株大小

中国 cabbage 小叶突变体 mini35 的 BrSQE1 基因突变通过 MutMap 定位克隆和转录组分析揭示其调控乙烯信号通路中 ERF 转录因子表达，抑制细胞分裂，导致叶面积和植株大小的显著减小，外源乙烯处理验证了浓度依赖性抑制效应。

　　
中国白菜叶片发育的分子调控机制研究

一、研究背景与科学问题
中国白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）作为重要的叶菜作物，其叶片形态发育直接影响产量和品质。叶片发育由细胞增殖和细胞扩张两个阶段构成，而这两个过程受植物激素网络调控。乙烯作为关键激素，在促进细胞扩张的同时，高浓度会抑制生长。然而，乙烯通过什么具体机制影响细胞增殖尚不明确。本研究通过建立小叶突变体模型，系统解析乙烯介导的叶片发育调控机制。

二、关键发现
1. **表型特征分析**
研究发现，由EMS诱变获得的小叶突变体mini35在多个发育阶段（子叶期、莲座期、花球期）均表现出显著叶片缩减。具体表现为：
- 叶片长度减少达32%（野生型A03为18.5cm，mini35为12.7cm）
- 叶片宽度缩减28%（A03 9.2cm vs mini35 6.6cm）
- 植株冠幅缩小35%（A03 26.3cm vs mini35 17.1cm）
- 总叶片数减少40%（A03平均9.2片 vs mini35 5.4片）

值得注意的是，显微观察显示突变体叶片中叶肉细胞体积与野生型无显著差异（p>0.05），但单位面积细胞数量减少约30%。这表明叶片变小主要源于细胞数量的减少而非细胞体积变化。

2. **基因定位与功能验证**
通过MutMap定位技术，在A09染色体上发现关键基因BrSQE1（squalene epoxidase 1）。该基因编码的酶催化植物甾醇合成关键步骤，其突变导致：
- 乙烯信号通路上游基因表达异常
- ERF家族转录因子（BrERF1、BrERF15、BrERF59）表达量上调2-3倍
- 病毒诱导基因沉默（VIGS）验证：BrSQE1基因沉默植株叶片数减少42%，第六片真叶面积缩小58%

3. **乙烯浓度效应实验**
外源乙烯处理显示浓度依赖性效应：
- 20-40mg/L：仅抑制细胞增殖（叶面积减少15-25%）
- 60-100mg/L：同时抑制增殖和扩张（叶面积减少50-70%）
- 临界阈值：60mg/L时开始出现细胞分裂抑制现象
- 表观遗传验证：ACC合成关键酶ACS基因表达量在乙烯处理下与BrSQE1表达呈负相关

三、分子机制解析
1. **BrSQE1基因功能**
该基因编码的squalene epoxidase在植物甾醇合成中起核心作用，其突变导致：
- 甾醇合成链路中断，细胞膜完整性受损
- 乙烯合成关键前体物质ACC积累
- 乙烯信号转导级联反应增强

2. **ERF转录因子网络**
突变体激活的ERF基因形成三级调控网络：
- 第一级：BrERF1（激活因子）上调，促进细胞周期停滞
- 第二级：BrERF15/59家族（抑制因子）形成正反馈环
- 第三级：MAPK信号节点异常激活，维持细胞分裂抑制状态

3. **表观调控机制**
研究发现BrSQE1启动子区存在乙烯响应元件（ERE），其突变导致：
- 乙烯诱导型启动子活性增强3倍
- 非活性启动子区域发生DNA甲基化异常
- 基因表达呈现组织特异性差异（根>茎叶）

四、应用价值与理论创新
1. **分子育种应用**
- 建立BrSQE1基因编辑体系，可通过CRISPR/Cas9技术实现精准改良
- 开发乙烯响应调控标记，为分子标记辅助育种提供工具
- 验证的ERF家族成员（BrERF15、BrERF59）可作为新型抗逆性状的遗传靶点

2. **理论突破**
- 首次揭示植物甾醇合成与乙烯信号通路的互作关系
- 建立"细胞增殖-扩张双调控模型"，解释乙烯浓度依赖性效应
- 揭示ERF转录因子通过MAPK信号节点调控细胞周期的分子机制

五、研究展望
1. 深化时空特异性表达研究：计划通过RNA-seq时间系列分析（ seed germination → cotyledon stage → rosette stage → heading stage）
2. 探索代谢通路互作：重点研究苯丙烷类代谢与甾醇合成的协同调控
3. 开发多效性调控因子：筛选同时影响细胞增殖与扩张的ERF复合体
4. 田间应用验证：计划在三年周期试验中评估BrSQE1编辑品种的产量稳定性

该研究为作物矮秆化育种提供了新理论依据，其发现的ERF-MAPK协同调控机制可拓展至其他茄科作物（如番茄、茄子）的株型改良研究。通过基因编辑技术沉默BrSQE1基因，可在不显著影响叶片细胞体积的前提下，将植株冠幅缩减30-40%，为开发紧凑型高产量品种奠定基础。