质体 （或称叶绿体） 是光合作用发生的场所，具有一套独特的自身基因组，是植物特有的半自主性细胞器。质体基因组大约包含100个基因，编码了光合作用反应中的必需蛋白，而大量的调控蛋白由细胞核基因编码，协同维持质体光合作用功能。因此，质体和细胞核基因组之间的功能协调对于植物细胞正常的功能维持至关重要。其中，基因组稳定性状态的维持是核质协调的重要方面。然而，目前对于核质基因组稳定性间的协调机制及生理功能却知之甚少。
2020年 8月 11日，来自广州中医药大学药用植物生理生态研究院的研究人员在Cell Reports在线发表了题为Signaling from Plastid Genome Stability Modulates Endoreplication and Cell Cycle during Plant Development的研究论文，揭示了核质基因组稳定性的协调机制。
为探究质体基因组与细胞核基因组之间的功能关系，研究人员利用质体基因组损伤试剂处理模式植物拟南芥，发现质体基因组损伤试剂ciprofloxacin （CIP，一种诱导产生细胞器双链断裂及ptDNA重排的DNA解旋酶抑制剂） 可引起内源性复制及细胞周期的改变。而另一种细胞器DNA解旋酶抑制剂novobiocin （NOV，不能诱导DNA断裂或ptDNA重排） 未引发细胞核内功能改变。与CIP类似的是，质体基因组稳定性因子Whirly1 （WHY1） ，Whirly3 （WHY3） 和HOMOLOG OF BACTERIAL RECA （RECA1） 共同缺失的拟南芥突变体reca1why1why3中也发现内源性复制及细胞周期改变的相似情况。这些发现证实质体基因组不稳定可以引发内源性复制及细胞周期进程的改变。
有趣的是，分子水平上，这些引发内源性复制及细胞周期改变的质体基因组不稳定植株中，细胞周期蛋白激酶抑制子SMR5和SMR7的表达量显著增加。遗传分析表明，reca1why1why3突变体中突变SMR7，可恢复质体基因组不稳定引发的内源性复制及生长发育的变化。这提示质体基因组不稳定植株中细胞周期蛋白基因在内源性复制及植物生长发育过程中发挥重要作用。进一步研究发现，DNA 损伤修复因子Suppressor of gamma response 1 （SOG1） 参与质体基因组不稳定引发的周期相关基因表达改变的调控过程，进而影响内源性复制及细胞周期进程。
值得注意的是，质体基因组不稳定突变体reca1 why1 why3 中ROS积累大大增加。弱光和抗坏血酸处理后，ROS水平显著降低；同时，显著缓解了质体基因组不稳定突变体中细胞周期蛋白及内源性复制的改变，提示ROS信号在核质基因组稳定性协调中发挥重要的作用。
综述所述，该研究发现质体基因组不稳定可能是一种新的质体反向信号源，并引起细胞核内基因组稳定性状态的改变，调节细胞周期和内源性复制，以及植物生长发育，对于理解质体与细胞核之间的协调机制提供了新的视角。
广州中医药大学王宏斌教授和靳红磊教授为本论文的共同通讯作者，段素娟博士生 （中山大学2019届博士研究生） 为第一作者。相关工作得到了国家自然科学基金 （国家杰出青年基金等） 、农业部转基因专项、国家特支计划及广东省特支计划等的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108019
广州中医药大学药用植物生理生态研究院简介：
广州中医药大学药用植物生理生态研究院成立于2019年，是一个朝气蓬勃的新生科研团队。学术带头人为王宏斌教授（国家杰出青年基金获得者、万人计划科技创新领军人才），凝聚了一批来自国内外知名科研机构的优秀青年研究人员，形成了“组学解析”-“光合生理”-“代谢与合成生物学”-“遗传育种”全链条研究体系。研究院主要开展重要资源创新研究，重点解析大宗或珍稀濒危药用植物活性成分的生物合成途径并揭示其形成分子机制；挖掘药用植物功能基因，通过分子育种培育药效成分含量高的具有优良农艺性状的药用植物新品种。研究院成立一年以来，已在Cell Reports、Plant Physiology、JIPB等国际主流期刊发表论文多篇。本研究院热忱欢迎海内外有志于中药资源创新研究的青年才俊加盟！
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