叶酸耗竭影响拟南芥细胞周期，制约主根生长：解开植物发育的关键谜题

为探究叶酸（folates）对植物根生长影响机制，研究人员以拟南芥为对象，发现 folate 耗竭抑制细胞周期，影响根生长。

　　在植物的生长发育过程中，就如同一场精密的交响乐演奏，每个环节都有着独特的节奏和规律。其中，细胞周期的调控至关重要，它就像一个指挥家，协调着细胞的增殖、分化和发育，影响着植物各个器官的生长。而叶酸，这种在生物化学反应中扮演着重要角色的物质，作为一碳单位的供体和受体，参与了包括 DNA 合成在内的众多关键生化反应，是植物生长不可或缺的元素。

此前研究发现，叶酸的缺乏会导致拟南芥根生长受阻，然而这背后的具体机制却如同隐藏在迷雾之中，一直未被完全揭示。虽然有研究通过转录组学分析暗示叶酸耗竭可能影响细胞周期进程，但二者之间的直接联系却缺乏深入研究。为了揭开这层神秘的面纱，来自根特大学（Ghent University）等机构的研究人员展开了一项重要研究，相关成果发表在《Plant Molecular Biology》杂志上。

研究人员采用了多种技术方法来深入探究叶酸与植物根生长之间的关系。在实验中，他们使用了甲氨蝶呤（MTX），这是一种叶酸生物合成抑制剂。通过对拟南芥幼苗进行 MTX 处理，研究人员运用 qPCR 技术分析细胞周期基因的表达变化；利用多种细胞周期报告基因系，结合组织化学染色和显微镜观察，研究叶酸耗竭对根形态和细胞周期进程的影响；采用 EdU 标记技术，直观地观察细胞周期的进展情况；还运用超高效液相色谱 - 串联质谱检测（ultra-performance liquid chromatography with tandem mass spectrometry detection）等方法分析叶酸和对氨基苯甲酸（PABA）的含量。

MTX 处理导致拟南芥幼苗细胞周期基因表达异常。研究人员选取了处于细胞周期不同阶段（G₁/S 转换、S 期进展和 G₂/M 转换）的关键基因进行研究。通过 qPCR 分析发现，MTX 处理后，许多细胞周期基因的表达发生了显著变化。例如，G₁/S 转换阶段的 CYCD6;1 和 E2FA 基因表达下调；S 期进展相关的 CYCA3;1 基因表达明显降低；G₂/M 转换阶段的多个基因如 CYCA2;2、CYCA2;3、CYCA3;4、E2FB、CYCB1;1 和 CYCB1;2 等也出现了不同程度的下调。同时，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CKIs）基因 SIM、SMR5 和 SMR7 的表达显著上调，而细胞周期开关基因 CCS52A1、CCS52A2 和 CCS52B 中，CCS52B 的表达明显下调。这表明 MTX 处理干扰了细胞周期基因的正常表达模式，影响了细胞周期的调控。

叶酸耗竭阻碍主根生长。研究人员对拟南芥幼苗进行长期 MTX 处理后发现，MTX 对种子萌发没有影响，但显著抑制了主根的生长。随着 MTX 浓度的增加，幼苗总叶酸水平下降，主根长度明显缩短。通过细胞周期标记分析发现，MTX 处理导致根顶端分生组织中细胞分裂减少，细胞周期进程受到干扰，细胞过早退出有丝分裂周期进入内复制周期，同时分生组织细胞体积增大。这一系列变化表明，叶酸耗竭通过影响细胞分裂和细胞周期进程，进而阻碍了主根的生长。

MTX 处理影响细胞周期机制。MTX 处理导致叶酸耗竭，可能引发 DNA 损伤和活性氧（ROS）积累，从而产生潜在的基因毒性应激。研究人员通过检测 DNA 损伤响应基因 SMR5 和 SMR7 的表达，发现 MTX 处理后它们的表达明显上调。进一步研究发现，MTX 处理对不同细胞周期阶段的基因表达产生了不同影响。例如，在 G₁/S 转换阶段，E2FA 基因表达下降，而 CYCD6;1 的 GFP 表达未发生明显变化；S 期进展相关的 CYCA3;1 表达模式改变，CYCA3;2 表达和蛋白积累减少；G₂/M 转换阶段，多个基因表达受到不同程度的影响，其中 CYCB1;1 的表达显著下降。这些结果表明，MTX 处理干扰了细胞周期不同阶段的基因表达，影响了细胞周期的正常进程。

叶酸影响 CYCA3;1 和 CYCA3;4 的翻译后调控。CYCA3;1 通常在根尖表达，并通过细胞周期开关酶 CCS52A1、A2 和 B 被 APC/C 复合物靶向降解。MTX 处理后，CYCA3;1 在静止中心周围积累，其表达模式发生改变。研究人员分析了 CCS52A1、A2 和 B 的表达，发现 MTX 处理未引起它们的表达变化，但不能排除其在酶活性水平的作用。进一步研究发现，敲除 CYCA3;1 或同时敲除 CYCA3;1 和 CYCA3;2，幼苗对 MTX 处理的敏感性并未改变，表明 CYCA3;1 并非导致根缩短的直接原因。这说明叶酸可能通过影响细胞周期开关酶对 CYCA3;1 和 CYCA3;4 进行翻译后调控，进而影响细胞周期进程。

MTX 影响细胞周期进展，部分通过诱导 S 期停滞。由于叶酸在 DNA 合成中具有重要作用，研究人员通过 EdU 标记实验来研究 MTX 对细胞周期进展的影响。结果发现，MTX 处理后，根尖 S 期的有丝分裂细胞数量明显减少，细胞周期进程受到抑制。降低 MTX 浓度并缩短处理时间后发现，MTX 处理导致 S 期延长，细胞周期整体变长。这表明 MTX 处理通过诱导 S 期停滞，进而影响细胞周期的进展，阻碍了植物的生长发育。

综上所述，该研究揭示了叶酸耗竭对拟南芥细胞周期和主根生长的影响机制。MTX 诱导的叶酸耗竭导致细胞周期基因表达异常，抑制细胞周期进程，使细胞停滞在 S 期，最终导致主根生长受限。同时，研究还发现叶酸耗竭对植物生长的影响存在组织特异性，在根和下胚轴中的表现不同，并且可能与植物激素信号通路存在相互作用。这些研究结果为深入理解叶酸在植物生长发育中的作用提供了重要依据，有助于进一步揭示植物生长调控的分子机制，为未来农业生产中优化植物生长提供了潜在的理论支持。