與感情世界里的“備胎”一樣，基因世界里的“備胎”總是受到忽視。不過，有時(shí)它們也會(huì)“逆襲”。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員許操和美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室研究員Zachary Lippman團(tuán)隊(duì)合作研究表明，在植物莖尖干細(xì)胞增殖過程中，一旦發(fā)揮關(guān)鍵功能的“明星”基因缺位，“備胎”基因就會(huì)逆襲上位，發(fā)揮替補(bǔ)作用，維持其穩(wěn)健性。相關(guān)研究3月28日發(fā)表于《自然—植物》。
“這說明隨著全球氣候變化和極端天氣頻發(fā)，研究作物農(nóng)藝性狀時(shí)不能只關(guān)注‘明星’基因，還要關(guān)注它們背后的‘備胎’和‘替補(bǔ)’基因。”論文通訊作者許操對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，相關(guān)研究為作物株型、果實(shí)產(chǎn)量和產(chǎn)品外觀等重要農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計(jì)提供了全新思路。
“備胎”基因的逆襲
在過去幾十年，為了培育更符合人類需求的作物新品種，科學(xué)家找到了許多控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵基因，其中包括控制植物莖尖干細(xì)胞發(fā)育的關(guān)鍵基因。
根據(jù)“職責(zé)”不同，植物干細(xì)胞大體可分為根尖干細(xì)胞和莖尖干細(xì)胞兩大類，分別控制植物的地下部分和地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育。莖尖干細(xì)胞是植物地上部分形態(tài)建成和作物產(chǎn)量性狀形成的核心，也是逆境脅迫改變作物性狀的策源地，但人們對(duì)于植物如何實(shí)現(xiàn)莖尖干細(xì)胞發(fā)育穩(wěn)健性及其動(dòng)態(tài)演化規(guī)律長(zhǎng)期缺乏認(rèn)識(shí)。
21世紀(jì)初，科學(xué)家在模式植物擬南芥中發(fā)現(xiàn)植物多肽激素CLE“基因家族”在植物生長(zhǎng)發(fā)育尤其是干細(xì)胞增殖中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。“這個(gè)家族中至今已發(fā)現(xiàn)30多個(gè)‘兄弟姐妹’成員，雖然這些基因都非常‘迷你’, 功能卻很強(qiáng)大。它們有的調(diào)控木質(zhì)部和韌皮部發(fā)育，能讓楊樹等木材更快成才；有的像信號(hào)兵一樣在根系中感知干旱，并迅速向葉片傳導(dǎo)信號(hào)使其關(guān)閉氣孔實(shí)現(xiàn)抗旱。”許操舉例說。
而該家族中的“明星基因”——CLV3就是控制植物莖尖干細(xì)胞增殖以及地上部分形態(tài)的核心因子。“它就像一個(gè)‘大閘’，控制干細(xì)胞有序而不是過度增殖。”許操說，“如果沒有了大閘，干細(xì)胞過度增殖，番茄果實(shí)可能長(zhǎng)得像盤子那么大，但只能結(jié)一個(gè)果子，對(duì)于最終產(chǎn)量反而會(huì)過猶不及。”
2015年許操在美國(guó)科學(xué)院院士、冷泉港實(shí)驗(yàn)室植物遺傳學(xué)家Zachary Lippman團(tuán)隊(duì)開展博士后研究期間就發(fā)現(xiàn)，CLV3在提高作物產(chǎn)量方面具有巨大的應(yīng)用潛力，自此拉開了該基因在不同作物分子育種中廣泛應(yīng)用的序幕。2018年他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)該基因和其他控制莖尖干細(xì)胞成熟的基因進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了野生番茄的從頭馴化。
在圍繞“明星”基因CLV3的研究中，許操進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該基因突變后，其同家族“備胎”基因CLE9發(fā)生劇烈的轉(zhuǎn)錄上調(diào)，補(bǔ)償CLV3的功能缺失，以保障番茄莖尖干細(xì)胞發(fā)育穩(wěn)健性。而一旦“明星”小肽CLV3和“備胎”小肽CLE9同時(shí)突變，番茄將喪失發(fā)育穩(wěn)健性，無法完成生命周期。
“長(zhǎng)期以來，大家研究作物發(fā)育時(shí)都格外關(guān)注‘明星’基因，這項(xiàng)研究說明我們還要關(guān)注‘明星’背后的這些‘備胎’和‘替補(bǔ)’基因。”許操說。
安分守己 各司其職
許操團(tuán)隊(duì)與Lippman團(tuán)隊(duì)合作，分別選取茄科果蔬作物番茄、經(jīng)濟(jì)作物煙草、花卉作物矮牽牛和新派果蔬菇娘果等代表植物，對(duì)該補(bǔ)償機(jī)制的演化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管“備胎”CLE9有能力逆襲，但正常狀態(tài)下十分安分守己，不會(huì)蹭“明星大哥”CLV3的“流量”。“番茄在正常狀態(tài)下，如果CLV3未發(fā)生任何突變，CLE9表達(dá)量極低，是一個(gè)安靜的備胎。一旦‘老大’遭遇危機(jī)，它會(huì)迅速激活表達(dá)，‘召之即來，來則能戰(zhàn)’。”許操說。
“‘明星’之所以是‘明星’，是因?yàn)樗谖锓N演化的過程中，從一開始序列就比‘備胎’要好，使得它在莖尖干細(xì)胞里面表達(dá)量更高，表現(xiàn)機(jī)會(huì)更多，而且每一次‘曝光’它也都表現(xiàn)地特別好。”他補(bǔ)充說。
他和合作團(tuán)隊(duì)研究表明，CLV3-CLE9起源于3000萬(wàn)年前茄科植物特有的基因重復(fù)事件，其中CLE9經(jīng)歷了保留、重復(fù)和丟失的歷史動(dòng)態(tài)。番茄、野生番茄、菇娘果和矮牽牛中保留了具備“逆襲”能力的“備胎”基因CLE9；在辣椒中只保留了其部分編碼序列，演化為一個(gè)假基因；而在煙草、馬鈴薯和茄子中則完全丟失。
在番茄、矮牽牛和菇娘果等作物中，盡管CLV3小肽高度保守，但其功能喪失型突變體的表型卻具有很大差異。其中番茄CLV3突變體表型異常劇烈，呈現(xiàn)明顯的果實(shí)變大和花器官簇化表型，而矮牽牛和菇娘果的表型卻非常微弱，說明三者的“備胎”基因CLE9的逆襲能力不同。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種不同由兩個(gè)因素決定：一方面，不同物種的CLE9的啟動(dòng)子區(qū)順式調(diào)控元件不同，其應(yīng)激性上調(diào)表達(dá)的程度因此不同；另一方面，不同物種CLE9的成熟肽（由12個(gè)氨基酸殘基組成）的第六位氨基酸存在甘氨酸到絲氨酸的變異（質(zhì)的不同），第六位的甘氨酸使得CLE9與CLV1受體的結(jié)合更為緊密，增強(qiáng)了補(bǔ)償效果。
煙草作為丟失CLE9的茄科代表植物，則通過基因組加倍產(chǎn)生的大量的CLV3基因拷貝“以量取勝”，以被動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)發(fā)育穩(wěn)健性。
審稿人認(rèn)為這是一項(xiàng)很棒的研究，作者將比較基因組學(xué)方法和基因編輯技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)研究了茄科植物“備胎”基因類群及其補(bǔ)償機(jī)制的動(dòng)態(tài)進(jìn)化，揭示了這一普遍規(guī)律對(duì)塑造作物表型多樣性的重要作用。
“這項(xiàng)研究基于系統(tǒng)詳實(shí)的遺傳學(xué)和發(fā)育學(xué)分析，以‘庖丁解牛’的手法解析了某一種機(jī)制在某一個(gè)特定的進(jìn)化時(shí)期塑造某一個(gè)科的不同作物的發(fā)育學(xué)性狀的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，進(jìn)化發(fā)育學(xué)的視角讓作物學(xué)研究變得饒有興趣。”一位審稿人寫道。
而無論植物要表達(dá)CLV3，還是CLE9，都需要通過結(jié)合LRR類細(xì)胞膜表面受體CLV1將信號(hào)傳遞到胞內(nèi)，抑制干細(xì)胞增值因子WUS基因的表達(dá)。
“‘CLV3-CLE9搭檔互補(bǔ)，各司其職，促進(jìn)了物種的繁衍和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這也體現(xiàn)了植物聰明的一面。”許操說，這項(xiàng)研究提出了功能補(bǔ)償機(jī)制維持植物干細(xì)胞發(fā)育穩(wěn)健性的演化模型和變異理論，為不同作物的精準(zhǔn)分子育種奠定理論基礎(chǔ)。
指導(dǎo)分子設(shè)計(jì)育種
“2020年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與園藝作物總產(chǎn)值達(dá)4.09萬(wàn)億元，其中茄科作物包括番茄、辣椒、馬鈴薯和茄子等占有較大份額，僅番茄的年產(chǎn)值近1800億元。因此，茄科作物對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)，尤其是鄉(xiāng)村振興和農(nóng)民增收非常重要。”許操介紹，目前他和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用小肽補(bǔ)償新機(jī)制對(duì)番茄、矮牽牛等多個(gè)茄科作物以及水稻開展了分子設(shè)計(jì)育種，體現(xiàn)了該機(jī)制在提高作物產(chǎn)量、外觀和品質(zhì)中的廣闊應(yīng)用前景。
過去幾十年，人們對(duì)基因組加倍驅(qū)動(dòng)的植物形態(tài)多樣化和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)闡明其演化機(jī)制做出重要貢獻(xiàn)。但聚焦某一個(gè)控制重要農(nóng)藝性狀的基因家族的演化歷程，并通過在不同物種中系統(tǒng)性創(chuàng)制功能缺失或獲得型突變體，從進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)視角闡明分子機(jī)制的研究極為少見。
作者表示，新研究闡明了隨著遺傳變異的積累，旁系同源基因之間補(bǔ)償能力由量變到質(zhì)變的演化歷程，揭示了小肽功能補(bǔ)償機(jī)制的變異導(dǎo)致植物形態(tài)多樣化的分子機(jī)制，為多維組學(xué)和基因編輯時(shí)代的進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)研究提供了范例。
隨著全球氣候變化，極端天氣頻發(fā)，農(nóng)作物將不得不面對(duì)更多突發(fā)狀況。“過去，科學(xué)家在育種方面格外關(guān)注‘明星’功能基因，未來育種可能還需更加關(guān)注‘明星基因’背后后的‘替補(bǔ)’系統(tǒng)。”許操說，“這將有助于培育在逆境面前更為‘穩(wěn)健’的作物，‘任憑風(fēng)吹浪打，我自巋然不動(dòng)。’”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41477-022-01118-w
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