BpCYCD3;1 通过激活白桦树的细胞周期相关模块来调控器官生长发育

《Plant Science》：BpCYCD3;1 regulates organ growth by activating the cell cycle module in white birch

　　

摘要

细胞周期蛋白D（Cyclin D）是调控细胞周期进展和植物生长的关键因子。在本研究中，我们发现了桦树（Betula platyphylla）中的CYCD3家族成员BpCYCD3;1，并对其功能进行了研究。系统发育分析和序列分析表明，BpCYCD3;1在进化上具有保守性，并包含与细胞周期相关的典型结构域。启动子分析和表达实验表明该基因能够响应环境和激素信号，在叶片中优先表达。过表达BpCYCD3;1可促进叶片扩展和生物量积累，而CRISPR/Cas9敲除则会导致植株营养生长受阻。细胞学观察发现，过表达株系的细胞密度和表皮细胞数量增加，表明细胞增殖活性增强。在分子水平上，BpCYCD3;1上调了G1/S期转换相关基因和DNA复制相关基因。酵母双杂交实验和蛋白对接分析显示BpCYCD3;1与CDKA;1及E2F转录因子互作，并能结合到下游基因的启动子上。综上所述，BpCYCD3;1通过激活CDKA–RBR–E2F调控模块来促进植物营养生长，为提高树木生长和生物量生产提供了潜在的遗传靶点。

引言

白桦（Betula platyphylla Suk.）是一种具有生态和经济重要性的树种，广泛分布于北半球温带地区。由于其快速生长、较强的适应能力和优质的木材，白桦在木材生产、生态恢复和城市绿化中发挥着重要作用（Kune?等，2019；Woodcock等，2003）。因此，增强白桦的营养生长和生物量积累是遗传改良的重要目标。植物器官的生长依赖于细胞增殖和细胞Expansion的协调调控，在早期发育阶段细胞分裂活动起着决定性作用（Inzé和De Veylder，2006；Paschalidis和Roubelakis-Angelakis，2005）。

植物细胞周期的进展由保守的细胞周期蛋白–细胞周期依赖性激酶（CDK）调控模块控制。D型细胞周期蛋白（CYCDs）作为关键调节因子，整合发育信号、植物激素信号和环境刺激，以调控G1/S期转换（Sornay等，2015；Sorrell等，1999；Strzalka等，2015；Suleman等，2019）。CYCD蛋白激活CDKA激酶，使RETINOBLASTOMA-RELATED（RBR）蛋白磷酸化，从而释放E2F转录因子，后者进一步激活DNA复制和S期进入所需的基因（Yang等，2020；Yang等，2019；Zhao等，2017）。这一CYCD–CDKA–RBR–E2F通路是真核生物细胞增殖的核心调控模块。

章节摘录

白桦中BpCYCD3;1的功能特征和进化分析

为系统鉴定CYCD基因家族成员并确定BpCYCD3;1的进化位置，我们使用了基于全基因组数据预测的CYC蛋白序列进行了系统发育分析。所得的系统发育树（图S1）将CYCD家族成员分为几个不同的亚组。BpCYCD3;1明显归属于CYCD3亚family，与其他CYCD3同源基因聚类紧密，相应节点上的 bootstrap支持度很高，说明其进化地位较为稳定。

植物材料和生长条件

本研究以优良的白桦品系DL-1作为野生型对照和遗传转化受体。无菌组织培养的幼苗及土壤适应性强的转基因植物均在25°C、16小时光照/8小时黑暗（LD）的光周期条件下进行培养。

系统发育分析

以BpCYCD3;1蛋白序列为查询序列，在Phytozome数据库中进行了BLASTP搜索，以寻找不同植物物种中的CYCD3;1同源基因。选择具有高相似性和完整编码区域的蛋白序列进行进一步分析。使用ClustalX和MUSCLE算法对检索到的CYCD3;1蛋白序列进行多重序列比对，以提高准确性。

细胞增殖与器官生长的协调调控对植物发育至关重要，尤其是在多年生木本植物中，持续的分生组织活动是长期积累生物量的基础（Nieminen等，2008）。D型细胞周期蛋白作为关键传感器，将外部信号和内源信号传导至细胞周期调控机制（Inzé和De Veylder，2006）。本研究表明BpCYCD3;1作为CYCD3亚族的成员，在调控细胞周期中起核心作用。

作者贡献声明

Linan Yue：负责撰写初稿、正式分析及数据整理；Xinyu Wang：负责撰写、编辑及方法学设计；Zhimin Zheng：负责撰写、编辑、指导及资金申请；共同参与概念框架的构建。

作者声明不存在可能影响本研究报告的潜在利益冲突或个人关系。

作者：Linan Yue | Xinyu Wang | Zhimin Zheng中国东北林业大学林学院森林遗传与育种国家重点实验室，哈尔滨 150040