马铃薯StOSD1/UVI4基因调控有丝分裂进程及叶形态维持的新机制

本研究针对马铃薯细胞周期调控关键基因功能未知的问题，通过CRISPR/Cas9技术敲除StOSD1/UVI4基因，发现其突变导致叶片嵌合、叶肉细胞核内复制及叶绿体功能异常，揭示了该基因在维持有丝分裂准确性、叶绿素代谢和减数分裂中的多重功能，为作物倍性育种提供了新思路。

　　

在植物生长发育的精密调控网络中，细胞周期的准确运行犹如一曲和谐的乐章，任何不协调的音符都可能导致生长失调。特别是在马铃薯等块茎作物中，细胞分裂与扩张的平衡直接关系到产量形成。在拟南芥等模式植物中，科学家们已经发现UVI4（UV-B-insensitive 4）和OSD1（Omission of the Second Division）这两个基因如同细胞周期的"刹车系统"，它们通过抑制APC/C（anaphase-promoting complex/cyclosome，后期促进复合体/循环体）的活性来确保细胞分裂的正常进行。然而，在具有复杂基因组的多倍体作物如马铃薯中，这类基因的功能却如同蒙着面纱，令人难以窥见其真容。

更为有趣的是，马铃薯基因组中仅存在一个StOSD1/UVI4同源基因，这与拟南芥等物种拥有两个同源基因的情况形成鲜明对比。这种基因数量的差异是否意味着功能上的特化？这个单一基因拷贝是否承担了双倍的工作量？这些问题一直困扰着植物细胞生物学家。解答这些疑问不仅有助于理解植物进化过程中的基因功能分化，更能为马铃薯等重要作物的遗传改良提供理论依据。

为了解决这一科学难题，内蒙古大学熊志勇教授团队在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，成功创制了StOSD1/UVI4基因突变体，首次系统揭示了该基因在马铃薯有丝分裂、叶形态建成和减数分裂中的多重调控功能。

研究团队主要运用了以下几种关键技术方法：通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建突变体；利用激光共聚焦显微镜观察叶绿体分布；采用石蜡切片技术分析细胞形态；运用5S rDNA和26S rDNA荧光原位杂交（FISH）技术检测细胞倍性；通过转录组测序分析差异表达基因；使用扫描电镜观察叶片表皮毛形态。

Identification and characterization of the StOSD1/UVI4 gene in potato

研究人员通过系统进化分析发现，与拟南芥等物种不同，马铃薯和番茄中仅存在一个UVI4同源基因，命名为StOSD1/UVI4。该基因包含GxEN-box、D-box和MR-tail三个保守结构域，表明其在进化过程中可能保留了祖先基因的核心功能。

The StOSD1/UVI4 mutant exhibited leaf variegation in potato

通过CRISPR/Cas9技术成功获得两个纯合突变株系D64和Z3。突变体表现出明显的叶片嵌合表型，具有深绿和浅绿相间的 mosaic 区域。Z3突变体株高显著降低，叶绿素含量减少，其中叶绿素a含量下降尤为明显，分别降低了13.17%（D64）和29.37%（Z3）。

Mutation of the StOSD1/UVI4 gene alters the chloroplast distribution pattern and fluorescence intensity within the palisade tissue of the LG region

激光共聚焦显微镜观察发现，突变体浅绿区域叶绿体分布异常，自发荧光信号减弱。特别是在深绿与浅绿交界处出现局部荧光增强现象，表明叶绿体功能可能受损。

Mutations in the StOSD1/UVI4 gene stimulate the enlargement of palisade tissue cells

石蜡切片显示突变体栅栏组织细胞体积显著增大，而表皮细胞和海绵组织细胞无明显变化。DAPI染色发现异常栅栏组织细胞核增大，5S rDNA FISH分析证实这些细胞发生了核内复制，细胞倍性增加。

StOSD1/UVI4 gene mutation increases ploidy leavel by endomitosis

通过双探针FISH（5S rDNA和26S rDNA）分析发现，突变体叶片细胞出现多种倍性状态，且5S rDNA信号位点数多于26S rDNA。这种信号分布模式表明突变体主要通过核内有丝分裂（endomitosis）而非内循环（endocycle）途径增加细胞倍性。

Transcriptomic profiling reveals the molecular determinants of leaf variegation in StOSD1/UVI4 mutants

转录组分析鉴定出6706个差异表达基因，其中3548个上调，3158个下调。KEGG富集分析显示"卟啉和叶绿素代谢"通路显著富集。原叶绿素酸酯还原酶基因（Soltu.DM.10G002270）等叶绿素合成关键基因下调表达，而staygreen等叶绿素降解相关基因表达改变，共同导致叶绿素代谢紊乱。

The number of nonglandular trichomes was reduced in the StOSD1/UVI4 mutant

扫描电镜观察发现突变体叶片非腺毛密度显著降低，但与拟南芥uvi4突变体增加毛状体分枝的表型不同，StOSD1/UVI4突变主要影响毛状体密度而非分枝模式。

StOSD1/UVI4 mutation may causes the reproductive cells to skip the second meiotic division

减数分裂染色体观察发现，D64突变体无法完成第二次减数分裂，表明StOSD1/UVI4在马铃薯减数分裂进程中同样发挥重要调控作用。

本研究首次系统揭示了StOSD1/UVI4基因在马铃薯中的多重功能。该基因通过调控核内有丝分裂进程，影响栅栏组织细胞倍性，进而改变叶绿体分布和叶绿素代谢，最终导致叶片嵌合表型。与拟南芥同源基因主要调控表皮细胞不同，StOSD1/UVI4在马铃薯中特异性地调控光合组织发育，体现了基因功能在进化过程中的特异性分化。

研究发现的核内有丝分裂与叶绿素积累之间的新型联系，为理解植物细胞倍性与光合作用的关系提供了全新视角。同时，该基因在毛状体密度调控和减数分裂进程中的功能，进一步拓展了我们对植物细胞周期调控网络复杂性的认识。这些发现不仅深化了对植物生长发育基础生物学过程的理解，也为通过调控细胞倍性改良作物性状提供了潜在靶点，对马铃薯等重要作物的遗传改良具有重要指导意义。