《Journal of Plant Physiology》：The cyclin-dependent kinase inhibitor SlKRP3 negatively regulates plant height and fruit shape in tomato via inhibiting cell elongation
编辑推荐：
番茄SlKRP3通过抑制细胞周期进程调控株高和果实形态，过表达植株呈现缩短的细胞伸长和减少的终末加倍现象，转录组分析显示xyloglucosyl转移酶基因及细胞周期相关基因表达失调，结构预测和双荧光互补实验证实SlKRP3与SlCYCD3.1相互作用。
刘根忠|刘晓芳|范娇娇|李朝阳|王正|马芳芳|鲍志龙
山东农业大学园艺科学与工程学院，泰安271018，山东，中国
摘要 植株高度和果实形状是影响植物产量和外观质量的重要性状。Kip相关蛋白（KRP）是一种依赖于细胞周期的激酶抑制剂，在植物发育过程中对细胞周期进程的抑制起着关键作用。然而，SlKRP3通过细胞周期进程调节番茄植株高度和果实形状的机制尚不清楚。在这里，我们揭示了SlKRP3 的功能特性，该蛋白负责番茄的植株高度和果实形状。正如预期的那样，SlKRP3 的过表达导致番茄茎部的细胞伸长缩短和内复制减少。通过VIGS技术获得了SlKRP3 沉默的植株，并证明沉默SlKRP3 可以增加植株高度。转录组分析显示，在SlKRP3 过表达株中，木葡糖基转移酶 基因以及与细胞伸长和细胞周期相关的基因也发生了失调。这表明SlKRP3 通过抑制内复制来负调节细胞扩展。值得注意的是，我们通过AlphaFold3、酵母双杂交和双分子荧光互补（BiFC）实验发现SlKRP3与细胞周期蛋白D3.1存在物理相互作用。这些发现揭示了SlKRP3 的功能调控机制，并为番茄植株结构和果实形状的遗传改良提供了潜在策略。
引言 番茄（Solanum lycopersicum ）是最广泛种植的蔬菜作物。其果实富含多种营养素，深受消费者青睐。然而，需要通过修剪、枝条训练和绑蔓等园艺措施来调节植物的生长和发育。优化的植株结构不仅便于栽培，还能提高光截获率、光合作用效率和养分分配。这些特性共同决定了植物的产量和质量（Wang等人，2018年）。因此，优化植株结构已成为番茄育种的重要目标。培育具有理想植株结构的品种有望进一步提高产量和质量。
果实形状是园艺作物的关键性状。对于以新鲜果实为可食用器官的果蔬来说，这是一个重要的商品性状，会影响消费者的偏好。逐渐克隆出了调控园艺作物果实形状的基因，如OVATE 、SUN 和FS8.1 （Rodríguez等人，2011年；Wang等人，2024年；Chen等人，2023年）。果实形态的形成取决于细胞定向扩展和细胞分裂的协调。例如，Fs8.1 编码一种非典型的三螺旋家族转录因子，通过激活SlKRP2 的表达来控制子房壁的细胞增殖，从而获得更加紧凑的矩形果实（Zhu等人，2023年）。有趣的是，CsCUN 也能使黄瓜果实形状变得细长（Li等人，2022年）。细胞骨架在果实发育中起着重要作用。IQ67结构域（IQD）途径是一条调控肉质果实形状的保守途径。SlMAP70-SlIQD21a/SUN10模块的协同作用通过影响微管骨架的动态功能来调节番茄果实的形态（Bao等人，2023年）。
细胞周期通过调控细胞分裂和扩展来影响植物的生长和果实发育（Harkess，2019年）。细胞是否进入有丝分裂周期或核复制周期由依赖于细胞周期的激酶（CDK）/细胞周期蛋白（CYC）复合体调控。D型细胞周期蛋白（CYCD）被认为参与G1到S期的转换（Menges等人，2007年）。CDK的活性可以受到某些蛋白质的调控，其中KRP可以精细调节CDK的活性并负调节细胞周期过程（Garza-Aguilar等人，2019年）。拟南芥 中的EL1样蛋白通过磷酸化KRP6来调节细胞周期进程（Qu等人，2021年）。在先前的研究中，通过全基因组分析鉴定了六个SlKRP 基因，并通过系统发育分析将其分为三类。SlKRP 基因结构和保守基序的分析表明，SlKRP包含一个保守的依赖于细胞周期的激酶抑制结构域。亚细胞定位分析显示所有SlKRP蛋白都位于细胞核中（Liu等人，2023年），但SlKRP如何调节植物生长和发育仍有待进一步探讨。
细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。作为细胞壁中含量最丰富的半纤维素，木葡聚糖赋予细胞壁一定的动态延展性，从而影响植物的生长和发育（Park和Cosgrove，2015年）。人们普遍认为，木葡聚糖的断裂和再生在细胞壁扩展中起着重要作用。木葡聚糖内转糖苷酶（XET/XTH）被认为是参与细胞壁松弛过程的重要酶，在细胞伸长和扩展中起关键作用（Stratilová等人，2020年）。XTHs广泛参与植物生长和发育的调控。过表达BvXTH8 的拟南芥 的根长和根重高于野生型（Li等人，2022年）。XTH17 也参与茎部伸长，其表达受到转录因子HY5的抑制，从而影响茎部伸长（Sharma等人，2023年）。SlXTH5 和SlXTH8 通过乙烯途径促进番茄果实成熟（Mu?oz-Bertomeu等人，2013年）。
TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF（TCP）家族是一类植物特异性的转录因子，广泛参与植物生长和发育、应激响应及次生代谢的调控（Li等人，2012年）。TCP结构域主要为螺旋-环-螺旋（bHLH）基序。根据TCP结构域的特点，TCP转录因子可分为I类TCP和II类TCP。TCP转录因子在调节植物细胞周期进程方面起重要作用。TCP转录因子通过激活PGL1 基因的表达降低细胞壁中的果胶含量，从而促进内复制达到高倍性阶段，最终驱动细胞扩展，建立了细胞壁果胶与细胞周期过程之间的直接关系（Shen等人，2025年）。在番茄中，miR319 突变体促进了SlTCP2/LA 的表达，导致子房伸长（Carvalho等人，2025年）。依赖于细胞周期的激酶8（CDK8）通过与SlTCP15直接相互作用并使其磷酸化来调节番茄花粉的发育，而sltcp15 表现出极晚的开花表型（Xu等人，2024年）。
在本研究中，我们探讨了SlKRP3 在番茄植株生长和果实发育中的调控作用。我们构建了SlKRP3 过表达（SlKRP3 -OE）株和VIGS沉默植株，并系统评估了它们的植株高度、茎细胞长度和细胞周期。随后对过表达株和野生型植物的茎组织进行了转录组测序，以阐明SlKRP3 影响番茄植株高度的潜在调控途径。此外，还利用酵母双杂交、BiFC和结构预测分析来研究SlKRP3与核心细胞周期调控因子SlCYCD3.1之间的相互作用。这些结果旨在阐明SlKRP3调节番茄形态发育的调控机制，并为优化植株结构和改良品种的育种提供理论基础和新见解。
部分摘录 植物材料与生长条件 本研究选择了‘Heinz 1706’番茄品种，其种子由番茄遗传资源中心（TGRC，
https://tgrc.ucdavis.edu/ ）提供。所有植物均在人工气候室中培养。培养条件如下：黑暗8小时，22°C，光照16小时，25°C，光照强度30000勒克斯。
植物遗传转化 通过Phanta EVO超高保真度DNA聚合酶（Vazyme，P503-d1）扩增了SlKRP3 （Solyc12g098310 ）的全长CDS，并将其克隆到pDONR222入门载体中
SlKRP3 的特性表明其作为CDK抑制剂的角色，在番茄中高表达细胞周期调节细胞分裂和分化，从而决定植物器官的大小和形状（Pinto等人，2024年；Li等人，2024年）。SlKRP3 通过调节细胞周期过程来调控番茄植株生长的功能尚不清楚。首先，我们确定了SlKRP3 的分子特性。SlKRP3 基因具有699 bp的开放阅读框，编码一个由232个氨基酸组成的蛋白质。构建的系统发育树表明SlKRP3具有高
讨论 植物的生长和发育受到多种因素的复杂调控。细胞增殖和扩展直接影响植物的生长。这些过程依赖于对细胞周期的精确控制。SlKRP3 通过抑制CDK-CYCLIN的活性来影响细胞周期进程的作用将在未来进一步探讨。在本研究中，我们通过转基因过表达株研究了SlKRP3 的功能，该蛋白通过影响细胞
结论 我们提出了一个模型来描述SlKRP3 在调节植株高度和果实形状中的作用（图7）。具体来说，SlKRP3 抑制与细胞扩展和细胞周期相关的基因的转录水平。结合计算机模拟和实验方法确认了SlKRP3与SlCYCD3.1之间的相互作用。这些结果为SlKRP3-SlCYCD3.1信号通路提供了一个工作模型，有助于整合植物形态和果实形状。我们的研究为此做出了贡献
CRediT作者贡献声明 李朝阳： 可视化、软件处理、数据分析。范娇娇： 可视化、软件处理、实验研究、数据分析、数据整理。刘晓芳： 初稿撰写、验证、软件处理、实验研究、数据分析、数据整理。刘根忠： 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、研究指导、方法学设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念构建。鲍志龙： 审稿与编辑、验证、研究指导、资源提供、方法学设计
未引用参考文献 Li等人，2022年；Li等人，2024年。
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢 本工作得到了国家自然科学基金 （资助编号：32202497）的支持。
