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菠菜(Spinacia oleracea L.)是苋科菠菜属植物,富含多种维生素,是一种具有高营养价值的绿色蔬菜,但其产量和质量都深受病害的影响。因此,提高菠菜的抗病性具有很大的意义。我们知道细胞周期信号传导途径在平衡植物生长发育和植物免疫过程中具有重要作用。在拟南芥中,CPR5是一个重要的免疫蛋白,它和CDK抑制蛋白(CKIs)之间具有某种互作。其中拟南芥的CPR5不仅能够负调控植物免疫和程序性细胞死亡(PCD),还能促进表皮毛细胞的发育。cpr5突变体表型为早衰、植株矮小,对病原物侵染具有抗病性、强免疫力,表皮毛不分叉,而野生型的表皮毛是三分叉的。CKIs是核心的细胞周期调控因子。拟南芥中的两个CKIs——SIM(SIMESE)和SMR1(SIMESE-related1)在细胞周期信号途径中功能冗余,不仅能正调控植物免疫,还可以负调控表皮毛细胞的繁殖。拟南芥sim smr1双突变体表型为表皮毛多细胞、簇生生长,而野生型表皮毛是单细胞、单一生长的;对病原物侵染表现为感病,抗病性差。在菠菜基因组中,我们发现了拟南芥CPR5和SIM各自的同源蛋白——Spinacia oleracea CPR5(SoCPR5)和Spinacia oleracea SIM(SoSIM)。为了探究它们的功能,我们分别把菠菜SoCPR5基因转入到拟南芥的cpr5突变体中、菠菜SoSIM基因转入到拟南芥sim smr1双突变体中。实验结果表明,在cpr5/35S:SoCPR5转基因植株中,cpr5突变体的早衰表型和强免疫性都被SoCPR5抑制了,表皮毛也完全恢复到野生型三分叉的表型,表明了SoCPR5与AtCPR5在调控植物免疫和PCD方面以及表皮毛发育上具有同样的功能。在35S:SIM植株中SIM基因过量表达,其表型为植株矮小、叶边缘锯齿状,与CDKA1 RNAi植株表型一样,证实了SIM蛋白是一个CDK抑制蛋白;而在sim smr1/35S:SoSIM转基因植株中,SoSIM对sim smr1双突变体有两种表型,一种是野生型表型,另一种是CDKA1 RNAi植株表型,这是由于SoSIM基因在转基因植株中表达量的不同而导致的,但表皮毛表型都恢复到单细胞、单一生长的表型。此外,植株的免疫性和PCD也恢复到了野生型水平,说明SoSIM激活了植物免疫和PCD。以上结果表明了SoSIM与AtSIM功能的同源性,既能负调控细胞周期,也能正调控植物免疫和PCD。这些数据证实了,菠菜的SoCPR5和SoSIM在平衡植物免疫和生长发育中的功能与拟南芥中的CPR5、SIM的功能是相似性,它们在不同的植物种类中是保守的。因此,我们可以对SoCPR5和SoSIM进行基因修饰,来改变菠菜抗病性,提高其产量和质量。