植物基因中的“備胎”也能逆襲

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，有時它們也會“逆襲”。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員許操和美國冷泉港實驗室研究員Zachary Lippman團隊合作研究表明，在植物莖尖干細胞增殖過程中，一旦發揮關鍵功能的“明星”基因缺位，“備胎”基因就會逆襲上位，發揮替補作用，維持其穩健性。相關研究3月28日發表于《自然—植物》。

“這說明隨著全球氣候變化和極端天氣頻發，研究作物農藝性狀時不能只關注‘明星’基因，還要關注它們背后的‘備胎’和‘替補’基因。”論文通訊作者許操對《中國科學報》說，相關研究為作物株型、果實產量和產品外觀等重要農藝性狀的分子設計提供了全新思路。

“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，科學家找到了許多控制植物生長發育的關鍵基因，其中包括控制植物莖尖干細胞發育的關鍵基因。

根據“職責”不同，植物干細胞大體可分為根尖干細胞和莖尖干細胞兩大類，分別控制植物的地下部分和地上部分的生長發育。莖尖干細胞是植物地上部分形態建成和作物產量性狀形成的核心，也是逆境脅迫改變作物性狀的策源地，但人們對于植物如何實現莖尖干細胞發育穩健性及其動態演化規律長期缺乏認識。

21世紀初，科學家在模式植物擬南芥中發現植物多肽激素CLE“基因家族”在植物生長發育尤其是干細胞增殖中發揮著重要的調節作用。“這個家族中至今已發現30多個‘兄弟姐妹’成員，雖然這些基因都非常‘迷你’, 功能卻很強大。它們有的調控木質部和韌皮部發育，能讓楊樹等木材更快成才；有的像信號兵一樣在根系中感知干旱，并迅速向葉片傳導信號使其關閉氣孔實現抗旱。”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胞增殖以及地上部分形態的核心因子。“它就像一個‘大閘’，控制干細胞有序而不是過度增殖。”許操說，“如果沒有了大閘，干細胞過度增殖，番茄果實可能長得像盤子那么大，但只能結一個果子，對于最終產量反而會過猶不及。”

2015年許操在美國科學院院士、冷泉港實驗室植物遺傳學家Zachary Lippman團隊開展博士后研究期間就發現，CLV3在提高作物產量方面具有巨大的應用潛力，自此拉開了該基因在不同作物分子育種中廣泛應用的序幕。2018年他帶領團隊針對該基因和其他控制莖尖干細胞成熟的基因進行分子設計，實現了野生番茄的從頭馴化。

在圍繞“明星”基因CLV3的研究中，許操進一步發現，當該基因突變后，其同家族“備胎”基因CLE9發生劇烈的轉錄上調，補償CLV3的功能缺失，以保障番茄莖尖干細胞發育穩健性。而一旦“明星”小肽CLV3和“備胎”小肽CLE9同時突變，番茄將喪失發育穩健性，無法完成生命周期。

“長期以來，大家研究作物發育時都格外關注‘明星’基因，這項研究說明我們還要關注‘明星’背后的這些‘備胎’和‘替補’基因。”許操說。

安分守己 各司其職

許操團隊與Lippman團隊合作，分別選取茄科果蔬作物番茄、經濟作物煙草、花卉作物矮牽牛和新派果蔬菇娘果等代表植物，對該補償機制的演化規律進行了系統研究。

結果發現，盡管“備胎”CLE9有能力逆襲，但正常狀態下十分安分守己，不會蹭“明星大哥”CLV3的“流量”。“番茄在正常狀態下，如果CLV3未發生任何突變，CLE9表達量極低，是一個安靜的備胎。一旦‘老大’遭遇危機，它會迅速激活表達，‘召之即來，來則能戰’。”許操說。

“‘明星’之所以是‘明星’，是因為它在物種演化的過程中，從一開始序列就比‘備胎’要好，使得它在莖尖干細胞里面表達量更高，表現機會更多，而且每一次‘曝光’它也都表現地特別好。”他補充說。

他和合作團隊研究表明，CLV3-CLE9起源于3000萬年前茄科植物特有的基因重復事件，其中CLE9經歷了保留、重復和丟失的歷史動態。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，呈現明顯的果實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。

進一步研究發現，這種不同由兩個因素決定：一方面，不同物種的CLE9的啟動子區順式調控元件不同，其應激性上調表達的程度因此不同；另一方面，不同物種CLE9的成熟肽（由12個氨基酸殘基組成）的第六位氨基酸存在甘氨酸到絲氨酸的變異（質的不同），第六位的甘氨酸使得CLE9與CLV1受體的結合更為緊密，增強了補償效果。

煙草作為丟失CLE9的茄科代表植物，則通過基因組加倍產生的大量的CLV3基因拷貝“以量取勝”，以被動補償的方式實現發育穩健性。

審稿人認為這是一項很棒的研究，作者將比較基因組學方法和基因編輯技術相結合，系統研究了茄科植物“備胎”基因類群及其補償機制的動態進化，揭示了這一普遍規律對塑造作物表型多樣性的重要作用。

“這項研究基于系統詳實的遺傳學和發育學分析，以‘庖丁解牛’的手法解析了某一種機制在某一個特定的進化時期塑造某一個科的不同作物的發育學性狀的動態變化規律，進化發育學的視角讓作物學研究變得饒有興趣。”一位審稿人寫道。

而無論植物要表達CLV3，還是CLE9，都需要通過結合LRR類細胞膜表面受體CLV1將信號傳遞到胞內，抑制干細胞增值因子WUS基因的表達。

“‘CLV3-CLE9搭檔互補，各司其職，促進了物種的繁衍和競爭優勢，這也體現了植物聰明的一面。”許操說，這項研究提出了功能補償機制維持植物干細胞發育穩健性的演化模型和變異理論，為不同作物的精準分子育種奠定理論基礎。

指導分子設計育種

“2020年，我國經濟與園藝作物總產值達4.09萬億元，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，僅番茄的年產值近1800億元。因此，茄科作物對于我國經濟，尤其是鄉村振興和農民增收非常重要。”許操介紹，目前他和團隊已經利用小肽補償新機制對番茄、矮牽牛等多個茄科作物以及水稻開展了分子設計育種，體現了該機制在提高作物產量、外觀和品質中的廣闊應用前景。

過去幾十年，人們對基因組加倍驅動的植物形態多樣化和環境適應性進行了系統研究，對闡明其演化機制做出重要貢獻。但聚焦某一個控制重要農藝性狀的基因家族的演化歷程，并通過在不同物種中系統性創制功能缺失或獲得型突變體，從進化發育生物學視角闡明分子機制的研究極為少見。

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償能力由量變到質變的演化歷程，揭示了小肽功能補償機制的變異導致植物形態多樣化的分子機制，為多維組學和基因編輯時代的進化發育生物學研究提供了范例。

隨著全球氣候變化，極端天氣頻發，農作物將不得不面對更多突發狀況。“過去，科學家在育種方面格外關注‘明星’功能基因，未來育種可能還需更加關注‘明星基因’背后后的‘替補’系統。”許操說，“這將有助于培育在逆境面前更為‘穩健’的作物，‘任憑風吹浪打，我自巋然不動。’”

相關論文信息：