Nature Plants | 南京師范大學遲偉團隊揭示植物葉綠體發育與細胞周期的“協同密碼”

葉綠體不僅是植物進行光合作用的“能量工廠”，更是一個調控生長全局的“環境感受器”。那么，當幼苗破土見光，葉綠體如何迅速啟動發育？細胞分裂又如何與之同步？近日，南京師范大學生命科學學院遲偉教授團隊在NaturePlants上發表了題為Conserved DNA Architect Couples Chloroplast Development to Cell Cycle in Developing Cotyledons的研究論文，首次揭示了一個名為RDE的“DNA建筑師”在其中的核心調控機制。

對于一株剛剛鉆出土壤的幼苗來說，第一縷陽光不僅意味著能量的到來，更是一道啟動生命程序的“指令”。在這道指令下，植物細胞中的葉綠體開始從“休眠態”的黃化質體轉變為功能完備的“工作態”，同時細胞本身也要通過周期調控（cell cycle）實現體積或者數量的快速擴張。葉綠體發育與細胞周期的協同機制一直是發育生物學的未解之謎。對于單細胞光合生物，一個細胞通常只有一個葉綠體，通過同步分裂可以實現‘步調一致’；但高等植物的一個細胞里有上百多個葉綠體，還要經歷質體分化，調控機制十分復雜。

研究團隊以雙子葉植物子葉的“轉綠”過程為模型，發現了一個關鍵角色-RDE蛋白。它具有一項特殊本領：像“建筑師”一樣彎曲DNA。在黑暗條件下（如幼苗埋在土中），RDE蛋白會把一個名為DPa的轉錄因子“關”在一個由DNA彎曲形成的閉合環中，使其無法工作。一旦光照來臨，RDE蛋白迅速降解，DNA環被“解鎖”，DPa轉錄因子得以釋放，奔赴兩個“崗位”：第一站：釋放后的DPa激活一類EMB基因。這些基因編碼的蛋白負責葉綠體內光合色素蛋白復合體的合成，直接推動黃化質體向葉綠體轉化，讓子葉變綠。第二站：DPa同時激活細胞周期中S期（DNA合成期） 的關鍵基因，促使細胞核DNA加倍，但細胞卻不進入有絲分裂，這一現象被稱為核內復制（Endoreduplication）。核內復制使細胞體積迅速增大，卻不分裂，從而高效支撐子葉的擴展生長。通過RDE蛋白在光暗條件下的“功能切換”及其獨特的DNA構象重塑能力，光信號、質體分化、細胞周期調控三者被編織成一套精密的協同網絡。

進一步研究發現，這一機制在進化上極為保守，幾乎存在于所有綠色植物中。而研究團隊還發現一個“意外之喜”：當抑制RDE基因功能后，植物子葉變綠速度加快，葉綠素含量提高，甚至對高溫等環境脅迫表現出更強的適應能力。這暗示著RDE基因未來有可能成為農作物環境適應性改良和光合效率提升的潛在靶點。

生命科學學院在站博士后王修順為該論文第一作者，遲偉教授為通訊作者。中國科學院植物研究所季代麗副研究員和馬今方高級工程師、中國中醫科學院柴新博士、南京師范大學李健副教授和孫林華博士也參與了該研究工作。華南師范大學陽成偉教授、華中農業大學嚴順平教授、山東大學丁兆軍教授為研究提供了部分研究材料。中國科學院植物研究所張曉霞博士、南京師范大學張振華副教授、朱自強教授、王齊博士在研究過程中給予了大力協助。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省攀登計劃、江蘇省優勢學科以及卓越博后計劃等項目資助。

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02280-1