与感情世界里的“备胎”一样,基因世界里的“备胎”也总受到忽视。不过,它们有时会“逆袭”。

中科院遗传与发育生物学研究所研究员许操和美国冷泉港实验室研究员Zachary Lippman团队合作研究表明,在植物茎尖干细胞增殖过程中,一旦发挥关键功能的“明星”基因缺位,“备胎”基因就会逆袭上位,发挥替补作用,维持其稳健性。相关研究近日发表于《自然—植物》。

“这说明随着全球气候变化和极端天气频发,研究作物农艺性状时不能只关注‘明星’基因,还要关注‘备胎’和‘替补’基因。”论文通讯作者许操对《中国科学报》说,相关研究为作物株型、果实产量和产品外观等重要农艺性状的分子设计提供了全新思路。

“备胎”基因的逆袭

过去几十年,为了培育更符合人类需求的作物新品种,科学家找到了许多控制植物生长发育的关键基因,其中包括控制植物茎尖干细胞发育的关键基因。

根据“职责”不同,植物干细胞大概分为根尖干细胞和茎尖干细胞两大类。茎尖干细胞是植物地上部分形态建成和作物产量性状形成的核心,也是逆境胁迫改变作物性状的策源地,但人们对于植物如何实现茎尖干细胞发育稳健性及其动态演化规律长期缺乏认识。

21世纪初,科学家在模式植物拟南芥中发现,植物多肽激素CLE“基因家族”在植物生长发育尤其是干细胞增殖中发挥着重要的调节作用。“这个家族至今已发现30多个‘兄弟姐妹’成员,虽然这些基因都非常‘迷你’,但功能很强大。它们有的调控木质部和韧皮部发育,能让杨树等更快成材;有的像信号兵一样在根系中感知干旱,并迅速向叶片传导信号使其关闭气孔实现抗旱。”许操举例说。

而该家族中的“明星基因”——CLV3就是控制植物茎尖干细胞增殖及地上部分形态的核心因子。“它就像一个‘大闸’,控制干细胞有序而不是过度增殖。”许操说,“如果没有它,干细胞过度增殖,番茄果实可能长得像盘子一样大但只能结一个,最终影响产量。”

2015年,许操在Zachary Lippman团队开展博士后研究期间就发现,CLV3在提高作物产量方面具有巨大的应用潜力,自此拉开了该基因在不同作物分子育种中广泛应用的序幕。2018年,他带领团队针对该基因和其他控制茎尖干细胞成熟的基因进行分子设计,实现了野生番茄的从头驯化。

在围绕“明星”基因CLV3的研究中,许操进一步发现,当该基因突变后,其同家族“备胎”基因CLE9发生剧烈的转录上调,补偿CLV3的功能缺失,以保障番茄茎尖干细胞发育稳健性。而一旦“明星”小肽CLV3和“备胎”小肽CLE9同时突变,番茄将丧失发育稳健性,无法完成生命周期。

“长期以来,大家研究作物发育时都格外关注‘明星’基因,这项研究说明我们还要关注‘明星’背后的这些‘备胎’和‘替补’基因。”许操说。

安分守己 召之能战

许操团队与Lippman团队合作,分别选取茄科果蔬作物番茄、经济作物烟草、花卉作物矮牵牛和新派果蔬菇娘等代表植物,对该补偿机制的演化规律进行了系统研究。

结果发现,尽管“备胎”CLE9有能力逆袭,但正常状态下十分安分守己,不会蹭“明星大哥”CLV3的“流量”。“番茄在正常状态下,如果CLV3未发生任何突变,CLE9表达量极低,是一个安静的‘备胎’。一旦‘老大’遭遇危机,它会迅速激活表达,‘召之即来,来则能战’。”许操说。

“‘明星’之所以是‘明星’,是因为它在物种演化过程中初始序列就比‘备胎’好,在茎尖干细胞里表达量更高,表现机会更多,而且每一次‘曝光’也都表现得特别好。” 许操补充说。

研究表明,CLV3-CLE9起源于3000万年前茄科植物特有的基因重复事件,其中CLE9经历了保留、重复和丢失的历史动态。番茄、野生番茄、菇娘和矮牵牛中保留了“备胎”基因CLE9;在辣椒中只保留了其部分编码序列,演化为一个假基因;而在烟草、马铃薯和茄子中则完全丢失。

在番茄、矮牵牛和菇娘等作物中,尽管CLV3小肽高度保守,但其功能丧失型突变体的表型有很大差异。其中番茄CLV3突变体表型异常剧烈,呈现明显的果实变大和花器官簇化表型,而矮牵牛和菇娘的表型却非常微弱,说明三者的“备胎”基因CLE9的逆袭能力不同。

进一步研究发现,这种不同由两个因素决定:不同物种的CLE9启动子区顺式调控元件不同,其应激性上调表达的程度因此不同;不同物种CLE9的成熟肽(由12个氨基酸残基组成)的第6位氨基酸存在甘氨酸到丝氨酸的变异(质的不同),第6位的甘氨酸使CLE9与CLV1受体的结合更为紧密,增强了补偿效果。

烟草作为丢失CLE9的茄科代表植物,则通过基因组加倍产生的大量CLV3基因拷贝“以量取胜”,以被动补偿的方式实现发育稳健性。

审稿人认为这是一项很棒的研究,作者将比较基因组学方法和基因编辑技术相结合,系统研究了茄科植物“备胎”基因类群及其补偿机制的动态进化,揭示了这一普遍规律对塑造作物表型多样性的重要作用。

“这项研究基于系统详实的遗传学和发育学分析,以‘庖丁解牛’的手法,解析了某种机制在某个特定的进化时期塑造某个科不同作物发育学性状的动态变化规律。进化发育学的视角让作物学研究变得充满乐趣。”一位审稿人写道。

“CLV3-CLE9搭档互补,各司其职,促进了物种的繁衍和竞争优势,这也体现了植物‘聪明’的一面。”许操说,这项研究提出了功能补偿机制维持植物干细胞发育稳健性的演化模型和变异理论,为不同作物的精准分子育种奠定了理论基础。

指导分子设计育种

“2020年,我国经济与园艺作物总产值达4.09万亿元,其中茄科作物(包括番茄、辣椒、马铃薯和茄子等)占有较大份额,仅番茄的年产值就近1800亿元。因此,茄科作物对于我国经济尤其是乡村振兴和农民增收非常重要。”许操介绍,目前他和团队已经利用小肽补偿新机制对番茄、矮牵牛等多个茄科作物及水稻开展了分子设计育种,体现了该机制在提高作物产量、外观和品质方面的广阔应用前景。

过去几十年,人们对基因组加倍驱动的植物形态多样化和环境适应性进行了系统研究,对阐明其演化机制作出重要贡献。但聚焦某个控制重要农艺性状的基因家族的演化历程,并通过在不同物种中系统性创制功能缺失或获得型突变体,从进化发育生物学视角阐明分子机制的研究极为少见。

作者表示,新研究阐明了随着遗传变异的积累,旁系同源基因之间补偿能力由量变到质变的演化历程,揭示了小肽功能补偿机制的变异导致植物形态多样化的分子机制,为多维组学和基因编辑时代的进化发育生物学研究提供了范例。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-022-01118-w

(原载于《中国科学报》 2022-04-14 第3版 综合)