葉綠體不僅是植物進行光合作用的“能量工廠”，更是一個調(diào)控生長全局的“環(huán)境感受器”。那么，當幼苗破土見光，葉綠體如何迅速啟動發(fā)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(fā)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(diào)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(tài)”的黃化質(zhì)體轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芡陚涞摹肮ぷ鲬B(tài)”，同時細胞本身也要通過周期調(diào)控（cell cycle）實現(xiàn)體積或者數(shù)量的快速擴張。葉綠體發(fā)育與細胞周期的協(xié)同機制一直是發(fā)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(xiàn)‘步調(diào)一致’；但高等植物的一個細胞里有上百多個葉綠體，還要經(jīng)歷質(zhì)體分化，調(diào)控機制十分復雜。

研究團隊以雙子葉植物子葉的“轉(zhuǎn)綠”過程為模型，發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵角色-RDE蛋白。它具有一項特殊本領(lǐng)：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(zhuǎn)錄因子“關(guān)”在一個由DNA彎曲形成的閉合環(huán)中，使其無法工作。一旦光照來臨，RDE蛋白迅速降解，DNA環(huán)被“解鎖”，DPa轉(zhuǎn)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(nèi)光合色素蛋白復合體的合成，直接推動黃化質(zhì)體向葉綠體轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)象被稱為核內(nèi)復制（Endoreduplication）。核內(nèi)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(gòu)象重塑能力，光信號、質(zhì)體分化、細胞周期調(diào)控三者被編織成一套精密的協(xié)同網(wǎng)絡。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(huán)境脅迫表現(xiàn)出更強的適應能力。這暗示著RDE基因未來有可能成為農(nóng)作物環(huán)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(yī)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(nóng)業(yè)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(xié)助。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省攀登計劃、江蘇省優(yōu)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