父母對孩童時候的我們期盼著“快快長大”，農(nóng)民伯伯對植物、作物也有同樣的期待。如今，科學家們找到了植物成長背后的“操控者”。
3月21日，《自然—植物》在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉團隊的最新成果。研究團隊把擬南芥作為模式植物，利用遺傳學、分子生物學和多組學分析等手段，系統(tǒng)描繪了基因MIR156/7家族成員是如何控制植物幼年期的生長發(fā)育，為探索植物的生命周期帶來更深入理解。
該文章同時在《自然-植物》上刊登研究簡報作為“編輯推薦”。
生命體中的“計時器”
植物由種子萌發(fā)，而后開花結(jié)果；人類初為嬰孩，而后成人。如此循環(huán)往復，生命得以延續(xù)。然而，一代又一代的生命體為何會從幼年期開始？
“每個世代都有幼年期，每個新生命誕生時就像是‘恢復出廠設(shè)置’一樣，這就是跨代重置。”論文通訊作者王佳偉告訴《中國科學報》，在植物的世代交替中必須經(jīng)歷幼年期的重置過程。
已有研究表明，植物幼年期的跨代重置受損，將會導致后代過早開花和繁殖失敗。然而，跨代重置是如何進行的？其背后的分子機制目前尚未得到充分解析。
小分子RNA（microRNA，簡稱MIR）作為基因表達調(diào)控的一種重要手段，在植物的生長發(fā)育中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。一直以來，王佳偉團隊以“年齡”為關(guān)鍵詞，從小分子RNA入手，研究植物的植物發(fā)育過程和生命周期。
2009年，王佳偉團隊研究發(fā)現(xiàn)，MIR156及與之基因序列相近的MIR157是植物幼年態(tài)向成年態(tài)轉(zhuǎn)變的主要調(diào)控因子，它們對于幼年期的維持是充分且必要的。
有趣的是，MIR156/7猶如一個“計時器”，隨著植物生長而“倒計時”——它們的含量在植物幼苗中很高，隨著植物年齡增長含量逐漸減少。這類基因的存在，也說明了在植物在整個發(fā)育周期中，成熟衰老，直至死亡的過程是不可逆的。
“MIR156/7在世代交替中必然經(jīng)歷了重置過程，綜合研究MIR156/7的重激活機制，將有利于我們進一步理解植物的幼年期重置乃至整個跨代重置的根本機制。”王佳偉說。
“計時器”如何控制幼年期
研究人員首先利用RNA原位雜交、熒光報告體系及small RNA-seq等方式對 MIR156/7家族進行考察，發(fā)現(xiàn)在擬南芥世代交替中，該家族的全部12個成員均發(fā)生了表達重置，但不同的基因，選擇重置的時間節(jié)點有所不同。
比如有的基因在生殖過程中重置，并在受精后重新激活；有的基因在胚胎發(fā)生過程中更早激活；還有的基因在胚胎發(fā)生過程中幾乎沒有蹤跡，但在種子萌發(fā)后開啟高度表達模式。
“這正是生命的神奇所在，家族成員多，且發(fā)展出不同多樣化的重編程途徑，相當于有很多‘替補’選手，保證了植物幼年期重置的穩(wěn)健性，即使丟失一兩個基因也依舊能穩(wěn)定地從幼年期出發(fā)，而后發(fā)展壯大。”王佳偉表示。
為什么一定要有幼年期？事實上，幼年期階段的存在，對于后代繁殖積累足夠的物質(zhì)和能量具有重要意義，且幼年期越長，對植物充分成長的幫助可能越大。
為了進一步探究MIR156/7家族的功能，從2014年開始，王佳偉團隊的研究人員開始借助于CRISPR/Cas9技術(shù)，克服傳統(tǒng)的T-DNA插入突變體對于非編碼基因的局限性。經(jīng)過3名博士研究生的努力，終于成功獲得了MIR156/7各基因的完全敲除突變體，以及各種組合的多基因突變體。
研究發(fā)現(xiàn)，在這些突變體中，植物的幼年期出現(xiàn)不同程度的縮短。而在12基因突變體中，甚至可以在不生長真葉的情況下直接抽薹開花。也就是說，通過徹底去除miR156/7，研究人員創(chuàng)造了一個沒有幼年期、在胚胎時期就開花的植物。
這進一步表明了，植物世代交替中MIR156/7家族表達重置及幼年期重置的重要性。
追尋年齡的秘密
此外，研究人員還在最重要的兩個家族成員——MIR156A和MIR156C基因的上游發(fā)現(xiàn)一段染色質(zhì)可及性隨生長發(fā)育逐漸降低的區(qū)域，命名為“幼年期重置區(qū)域”，并通過遺傳學實驗證明該區(qū)域?qū)τ贛IR156及幼年期的重置具有重要作用。
隨后研究人員發(fā)現(xiàn)，胚胎發(fā)育過程中的重要調(diào)控因子LEC2參與調(diào)控了MIR156A/C在世代交替中的重置過程。
植物在生長發(fā)育中還有個“跨代重置”過程——春化，即一些越冬植物需要經(jīng)歷長時間的冬季低溫后，才能在春季回暖后開花結(jié)果，這種“記憶”在下一代的胚胎發(fā)育時被擦除重置，使每一代植物都要在開花前重新經(jīng)歷春化過程。
研究人員對比了植物“春化”過程與MIR156/7家族基因的調(diào)控機制，發(fā)現(xiàn)，植物春化途徑的核心調(diào)控因子FLC的重置同樣受到LEC2調(diào)控，而年齡途徑的核心因子MIR156/7則以多基因家族成員并采用不同重置路線的方式，保證了植物幼年期重置的穩(wěn)健性。
這兩者的異同將為研究人員探索植物的生命周期帶來更深入的理解。
論文評審專家之一澳大利亞國立大學教授托尼·米勒指出，該研究采用多種方法、科學且高質(zhì)量地揭示了基因調(diào)控的復雜性，有助于進一步深入了解了MIR156/7的生物學機制。
談及應用潛力時，王佳偉表示，在胚胎和幼苗階段，高水平的MIR156/7可防止早熟開花，從而確保植物，尤其是糧食作物在最佳時間開花，以最大限度地提高種子產(chǎn)量。
除糧食生產(chǎn)之外，果樹等經(jīng)濟作物種植者最關(guān)心的是，如何縮短幼年期，延長結(jié)果盛期，使生產(chǎn)上獲得最大的經(jīng)濟收益，而MIR156/7家族基因的發(fā)現(xiàn)，也為其提供了科學依據(jù)。
“我們能不能縮短幼年期？為什么樹可以活上千年，而人類最多只能存活100多年？能否延緩乃至逆轉(zhuǎn)年齡？”在王佳偉看來，這是研究的第一步，他們希望找到生命年齡的奧秘，延緩衰老的辦法，為人類的生命研究提供借鑒意義。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01110-4
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