父母對(duì)孩童時(shí)候的我們期盼著“快快長(zhǎng)大”,農(nóng)民伯伯對(duì)植物、作物也有同樣的期待。如今,科學(xué)家們找到了植物成長(zhǎng)背后的“操控者”。
3月21日,《自然—植物》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉團(tuán)隊(duì)的最新成果。研究團(tuán)隊(duì)把擬南芥作為模式植物,利用遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和多組學(xué)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(zhǎng)發(fā)育,為探索植物的生命周期帶來(lái)更深入理解。
該文章同時(shí)在《自然-植物》上刊登研究簡(jiǎn)報(bào)作為“編輯推薦”。
生命體中的“計(jì)時(shí)器”
植物由種子萌發(fā),而后開(kāi)花結(jié)果;人類初為嬰孩,而后成人。如此循環(huán)往復(fù),生命得以延續(xù)。然而,一代又一代的生命體為何會(huì)從幼年期開(kāi)始?
“每個(gè)世代都有幼年期,每個(gè)新生命誕生時(shí)就像是‘恢復(fù)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(guó)科學(xué)報(bào)》,在植物的世代交替中必須經(jīng)歷幼年期的重置過(guò)程。
已有研究表明,植物幼年期的跨代重置受損,將會(huì)導(dǎo)致后代過(guò)早開(kāi)花和繁殖失敗。然而,跨代重置是如何進(jìn)行的?其背后的分子機(jī)制目前尚未得到充分解析。
小分子RNA(microRNA,簡(jiǎn)稱MIR)作為基因表達(dá)調(diào)控的一種重要手段,在植物的生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。一直以來(lái),王佳偉團(tuán)隊(duì)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(guò)程和生命周期。
2009年,王佳偉團(tuán)隊(duì)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(duì)于幼年期的維持是充分且必要的。
有趣的是,MIR156/7猶如一個(gè)“計(jì)時(shí)器”,隨著植物生長(zhǎng)而“倒計(jì)時(shí)”——它們的含量在植物幼苗中很高,隨著植物年齡增長(zhǎng)含量逐漸減少。這類基因的存在,也說(shuō)明了在植物在整個(gè)發(fā)育周期中,成熟衰老,直至死亡的過(guò)程是不可逆的。
“MIR156/7在世代交替中必然經(jīng)歷了重置過(guò)程,綜合研究MIR156/7的重激活機(jī)制,將有利于我們進(jìn)一步理解植物的幼年期重置乃至整個(gè)跨代重置的根本機(jī)制。”王佳偉說(shuō)。
“計(jì)時(shí)器”如何控制幼年期
研究人員首先利用RNA原位雜交、熒光報(bào)告體系及small RNA-seq等方式對(duì) MIR156/7家族進(jìn)行考察,發(fā)現(xiàn)在擬南芥世代交替中,該家族的全部12個(gè)成員均發(fā)生了表達(dá)重置,但不同的基因,選擇重置的時(shí)間節(jié)點(diǎn)有所不同。
比如有的基因在生殖過(guò)程中重置,并在受精后重新激活;有的基因在胚胎發(fā)生過(guò)程中更早激活;還有的基因在胚胎發(fā)生過(guò)程中幾乎沒(méi)有蹤跡,但在種子萌發(fā)后開(kāi)啟高度表達(dá)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(dāng)于有很多‘替補(bǔ)’選手,保證了植物幼年期重置的穩(wěn)健性,即使丟失一兩個(gè)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(shí)上,幼年期階段的存在,對(duì)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(zhǎng),對(duì)植物充分成長(zhǎng)的幫助可能越大。
為了進(jìn)一步探究MIR156/7家族的功能,從2014年開(kāi)始,王佳偉團(tuán)隊(duì)的研究人員開(kāi)始借助于CRISPR/Cas9技術(shù),克服傳統(tǒng)的T-DNA插入突變體對(duì)于非編碼基因的局限性。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)真葉的情況下直接抽薹開(kāi)花。也就是說(shuō),通過(guò)徹底去除miR156/7,研究人員創(chuàng)造了一個(gè)沒(méi)有幼年期、在胚胎時(shí)期就開(kāi)花的植物。
這進(jìn)一步表明了,植物世代交替中MIR156/7家族表達(dá)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(gè)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(zhǎng)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(guò)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)程。
植物在生長(zhǎng)發(fā)育中還有個(gè)“跨代重置”過(guò)程——春化,即一些越冬植物需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的冬季低溫后,才能在春季回暖后開(kāi)花結(jié)果,這種“記憶”在下一代的胚胎發(fā)育時(shí)被擦除重置,使每一代植物都要在開(kāi)花前重新經(jīng)歷春化過(guò)程。
研究人員對(duì)比了植物“春化”過(guò)程與MIR156/7家族基因的調(diào)控機(jī)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(lái)更深入的理解。
論文評(píng)審專家之一澳大利亞國(guó)立大學(xué)教授托尼·米勒指出,該研究采用多種方法、科學(xué)且高質(zhì)量地揭示了基因調(diào)控的復(fù)雜性,有助于進(jìn)一步深入了解了MIR156/7的生物學(xué)機(jī)制。
談及應(yīng)用潛力時(shí),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(kāi)花,從而確保植物,尤其是糧食作物在最佳時(shí)間開(kāi)花,以最大限度地提高種子產(chǎn)量。
除糧食生產(chǎn)之外,果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物種植者最關(guān)心的是,如何縮短幼年期,延長(zhǎng)結(jié)果盛期,使生產(chǎn)上獲得最大的經(jīng)濟(jì)收益,而MIR156/7家族基因的發(fā)現(xiàn),也為其提供了科學(xué)依據(jù)。
“我們能不能縮短幼年期?為什么樹(shù)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(lái),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
標(biāo)簽: