Nature Plants | 南京师范大学迟伟团队揭示植物叶绿体发育与细胞周期的“协同密码”

叶绿体不仅是植物进行光合作用的“能量工厂”，更是一个调控生长全局的“环境感受器”。那么，当幼苗破土见光，叶绿体如何迅速启动发育？细胞分裂又如何与之同步？近日，南京师范大学生命科学学院迟伟教授团队在NaturePlants上发表了题为Conserved DNA Architect Couples Chloroplast Development to Cell Cycle in Developing Cotyledons的研究论文，首次揭示了一个名为RDE的“DNA建筑师”在其中的核心调控机制。

对于一株刚刚钻出土壤的幼苗来说，第一缕阳光不仅意味着能量的到来，更是一道启动生命程序的“指令”。在这道指令下，植物细胞中的叶绿体开始从“休眠态”的黄化质体转变为功能完备的“工作态”，同时细胞本身也要通过周期调控（cell cycle）实现体积或者数量的快速扩张。叶绿体发育与细胞周期的协同机制一直是发育生物学的未解之谜。对于单细胞光合生物，一个细胞通常只有一个叶绿体，通过同步分裂可以实现‘步调一致’；但高等植物的一个细胞里有上百多个叶绿体，还要经历质体分化，调控机制十分复杂。

研究团队以双子叶植物子叶的“转绿”过程为模型，发现了一个关键角色-RDE蛋白。它具有一项特殊本领：像“建筑师”一样弯曲DNA。在黑暗条件下（如幼苗埋在土中），RDE蛋白会把一个名为DPa的转录因子“关”在一个由DNA弯曲形成的闭合环中，使其无法工作。一旦光照来临，RDE蛋白迅速降解，DNA环被“解锁”，DPa转录因子得以释放，奔赴两个“岗位”：第一站：释放后的DPa激活一类EMB基因。这些基因编码的蛋白负责叶绿体内光合色素蛋白复合体的合成，直接推动黄化质体向叶绿体转化，让子叶变绿。第二站：DPa同时激活细胞周期中S期（DNA合成期） 的关键基因，促使细胞核DNA加倍，但细胞却不进入有丝分裂，这一现象被称为核内复制（Endoreduplication）。核内复制使细胞体积迅速增大，却不分裂，从而高效支撑子叶的扩展生长。通过RDE蛋白在光暗条件下的“功能切换”及其独特的DNA构象重塑能力，光信号、质体分化、细胞周期调控三者被编织成一套精密的协同网络。

进一步研究发现，这一机制在进化上极为保守，几乎存在于所有绿色植物中。而研究团队还发现一个“意外之喜”：当抑制RDE基因功能后，植物子叶变绿速度加快，叶绿素含量提高，甚至对高温等环境胁迫表现出更强的适应能力。这暗示着RDE基因未来有可能成为农作物环境适应性改良和光合效率提升的潜在靶点。

生命科学学院在站博士后王修顺为该论文第一作者，迟伟教授为通讯作者。中国科学院植物研究所季代丽副研究员和马今方高级工程师、中国中医科学院柴新博士、南京师范大学李健副教授和孙林华博士也参与了该研究工作。华南师范大学阳成伟教授、华中农业大学严顺平教授、山东大学丁兆军教授为研究提供了部分研究材料。中国科学院植物研究所张晓霞博士、南京师范大学张振华副教授、朱自强教授、王齐博士在研究过程中给予了大力协助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省攀登计划、江苏省优势学科以及卓越博后计划等项目资助。

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