流式细胞术助力解析核内复制调控，揭示光信号调控番茄果实膨大新机制
2026-07-29 来源:本站 点击次数:136中国农业大学郭仰东教授团队在PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences）发表题为“Light signal regulates endoreduplication and tomato fruit expansion through the SlPIF1a–SlTLFP8–SlCDKB2 module”的研究论文。系统解析了光信号调控番茄果实膨大的分子机制，揭示了光信号通过调控细胞核内复制（Endoreduplication）影响细胞扩张和果实发育的新机制，为设施园艺精准环境调控及番茄分子设计育种提供了新的理论基础。
发表期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences
影响因子：10.1
金迪智远检测技术支持
本研究中的番茄果皮细胞核内复制（核DNA含量分析）由金迪智远生物科技完成。
针对番茄果皮组织在不同发育阶段，特性差异显著的特点，金迪智远结合研究需求，设计并优化了流式细胞术检测方案，建立了稳定可靠的植物细胞核DNA含量分析流程，实现了不同处理条件下番茄果皮细胞核DNA含量的精准检测，为核内复制（Endoreduplication）水平评价及相关分子机制研究提供了重要的数据支撑。
本研究所使用的植物流式细胞仪（CyFlow Space）、倍性检测试剂盒（Cat. 05-5002，CyStain UV Precise P）以及CellTrics植物过滤网（Cat. 04-0042-2316）均来自金迪智远代理品牌——德国Sysmex Partec。
为什么研究果实膨大，需要检测细胞核DNA含量？
番茄果实发育主要经历细胞分裂、细胞扩张和成熟三个阶段。授粉后早期，果实主要依靠细胞分裂增加细胞数量；而进入快速膨大阶段后，细胞扩张逐渐成为决定果实大小的关键因素。
与动物细胞不同，植物细胞在扩张过程中普遍存在一种特殊的细胞周期——核内复制（Endoreduplication）。在这一过程中，细胞完成DNA复制，但不再进入有丝分裂，因此细胞核DNA含量不断增加，由2C逐渐升高至4C、8C、16C甚至256C，细胞体积也随之显著增大。
已有研究表明，番茄果实最终大小与果皮细胞平均DNA含量及核内复制水平密切相关。因此，准确评价细胞核DNA含量变化，是解析果实膨大发育机制的重要基础。
目前，流式细胞术（Flow Cytometry）已成为植物细胞核DNA含量分析及核内复制研究中应用最广泛的技术之一，可快速检测大量细胞核DNA含量分布，并定量分析不同DNA含量细胞比例及核内复制指数（Endoreduplication Index，EI），为植物发育研究提供可靠的数据支持。
流式细胞术在本研究中的作用
本研究利用流式细胞术，对不同遗传背景材料及不同处理条件下番茄果皮细胞核DNA含量进行了系统分析。
研究分别检测了果实发育不同阶段果皮组织中2C、4C、8C直至256C更高DNA含量细胞的比例变化，并进一步计算核内复制指数（Endoreduplication Index，EI），定量评价不同材料的核内复制水平。
流式细胞术检测结果表明，不同材料之间果皮细胞核DNA含量分布存在明显差异，核内复制水平与果实细胞扩张及最终果实大小密切相关。相关数据不仅验证了遗传学实验结果，也为建立光信号调控果实发育的分子模型提供了重要实验依据，是支撑论文核心结论的重要技术手段之一。
主要研究内容
1. 光信号直接影响番茄果实细胞扩张
光照既影响植物光合作用，又能够作为环境信号调控植物发育。那么，光照究竟是通过影响营养供应，还是直接参与调控果实膨大？
为回答这一问题，研究团队设计了巧妙的果实套袋（Bagging）实验。研究仅对果实进行遮光处理，而叶片仍保持正常受光状态，从而有效排除了碳同化和水分供应等因素的影响，使实验能够专注于分析光信号本身对果实发育的作用。
结果发现，在排除光合作用影响后，遮光处理的果实细胞体积明显大于正常受光果实，说明一定生理水平的光信号本身对果实细胞扩张起到阶段性抑制或精确调控作用。
进一步对果实昼夜膨大速率进行连续监测发现，番茄果实夜间膨大速度明显快于白天，与遮光处理结果一致，进一步证明光信号直接参与调控果实膨大过程。
图2 光信号影响番茄果实细胞扩张及膨大速率
2. 光信号通过调控核内复制影响果实膨大
细胞扩张为何会受到光信号调控？
研究进一步对果皮细胞核DNA含量进行了分析。流式细胞术检测结果显示，在不同光照处理及遗传背景材料中，果皮细胞核DNA含量分布发生明显变化。随着核内复制水平提高，高DNA含量细胞比例显著增加，核内复制指数（EI）同步升高。
这些结果表明，光信号并非直接决定果实大小，而是通过调控果皮细胞核内复制水平，影响细胞扩张能力，最终决定果实膨大程度。
这一发现首次将环境光信号、细胞周期调控与果实发育联系起来，为解析植物果实发育机制提供了新的研究思路。
图3 流式细胞术分析SlTLFP8过表达、WT以及基因敲除的番茄果皮细胞核DNA含量变化（金迪智远检测服务）
3. 揭示光信号调控果实膨大的关键分子模块
既然光信号能够影响果皮细胞的内复制水平，那么植物又是如何将外界光信号传递到细胞周期调控网络中的？
研究团队首先关注了植物经典光信号转录因子 SlPIF1a。PIF（Phytochrome-Interacting Factor）蛋白是植物响应光信号的重要调控因子，通常在黑暗条件下积累，在光照条件下被光受体介导降解。
研究发现，SlPIF1a在番茄果实中具有较高表达水平。通过构建过表达和功能缺失材料，研究人员发现，SlPIF1a表达水平与果实大小呈显著相关：SlPIF1a活性增强时，果实膨大更加明显；而功能受抑时，果实细胞扩张和内复制水平则显著下降。
进一步结合转录组分析、酵母单杂交（Y1H）、电泳迁移率变动分析（EMSA）及双荧光素酶报告等实验，研究证实SlPIF1a能够直接结合并激活SlTLFP8基因的表达。
这一结果表明，SlPIF1a是连接光信号与细胞发育调控的重要上游因子。
4. SlTLFP8通过调控细胞周期促进内复制
SlTLFP8又是如何影响果实发育的？
研究进一步发现，SlTLFP8编码一种E3泛素连接酶，可与细胞周期调控蛋白SlCDKB2发生相互作用，并促进其泛素化降解。
SlCDKB2是植物细胞周期G2/M阶段的重要调控因子。当SlCDKB2水平下降时，细胞难以继续进入正常有丝分裂，而是转向内复制（Endoreduplication）途径，导致细胞核DNA含量持续增加，细胞体积进一步扩大。
遗传学分析进一步验证了这一调控关系：无论是SlTLFP8过表达材料，还是SlCDKB2表达降低材料，均表现出更高的内复制水平、更大的细胞体积以及更大的果实表型；相反，当SlTLFP8功能受抑时，果皮细胞高倍性比例及核内复制指数（EI）降低，果实膨大受到明显抑制。
结合前述流式细胞术DNA含量分析结果，研究最终建立了"SlPIF1a–SlTLFP8–SlCDKB2"调控模块，系统阐明了光信号通过调控细胞周期转换影响内复制水平，进而控制果实膨大的分子机制。
5. APB结构域缺失揭示光信号调控新机制
为了进一步验证SlPIF1a在光信号中的作用，研究团队还获得了一个天然变异材料。
该材料中的SlPIF1a蛋白缺失了APB结构域。这一结构域是PIF蛋白与光受体互作的重要区域，缺失后，SlPIF1a即使在光照条件下也不易被降解，因此能够持续积累。
研究发现，该变异材料中SlTLFP8持续保持较高表达水平，下游SlCDKB2不断发生降解，果皮细胞内复制水平进一步提高，最终形成更大的果实。
这一发现不仅进一步验证了SlPIF1a在光信号调控中的关键作用，也揭示了植物通过调节PIF蛋白稳定性响应环境光信号的新机制，为利用光信号调控果实大小提供了新的遗传资源和分子靶标。
研究结论
本研究系统解析了光信号调控番茄果实膨大的分子机制，揭示了环境光信号通过SlPIF1a–SlTLFP8–SlCDKB2调控模块影响细胞周期转换，促进细胞核内复制（Endoreduplication），最终调控细胞扩张和果实大小。
研究进一步证明，内复制水平是连接环境信号与果实发育的重要桥梁。通过流式细胞术对番茄果皮细胞核DNA含量进行定量分析，研究准确评价了不同材料及处理条件下的内复制变化，为建立完整的调控模型提供了重要实验依据。
该研究不仅加深了对植物光信号调控生长发育机制的认识，也为设施园艺精准光环境调控、番茄果实品质改良及分子设计育种提供了新的理论基础。
创新点
1. 系统解析光信号调控番茄果实膨大的分子机制
研究建立了"SlPIF1a–SlTLFP8–SlCDKB2"调控模块，揭示了光信号通过影响细胞周期转换调控果实发育的新机制。
2. 阐明内复制在果实膨大发育中的关键作用
结合遗传学分析和流式细胞术DNA含量检测，系统证明内复制水平与果实细胞扩张及最终果实大小密切相关，为理解植物果实发育提供了新的理论依据。
3. 流式细胞术为内复制水平评价提供关键数据支撑
研究利用流式细胞术对不同材料及处理条件下番茄果皮细胞核DNA含量进行定量分析，并结合内复制指数（Endoreduplication Index，EI）评价内复制水平，为论文核心结论提供了重要实验支撑。
4. 为设施园艺精准调控和番茄育种提供新思路
研究成果揭示了环境光信号影响果实大小的分子基础，为设施园艺光环境优化及番茄分子设计育种提供了新的理论依据和潜在分子靶标。
该论文由中国农业大学郭仰东教授和张娜副教授共同通讯，中国农业大学园艺学院已毕业博士生张姣姣（现任职河北科技师范学院）和在读博士生许佳怡为共同第一作者，已毕业硕士生王馨曼（现任职上海市农科院）、已毕业博士生李双桃（现任职北京市农林科学院）和郭禄芹（现任职四川南充市农科院）参与了该研究。该研究获国家自然科学基金及中国农业大学2115人才培育计划等项目支持。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2404445122
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