作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2022/3/21 16:52:12
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新生植物为什么会有“幼童期”?
——科研人员解析植物“跨代重置”的机制

 

父母对孩童时候的我们期盼着“快快长大”,农民伯伯对植物、作物也有同样的期待。如今,科学家们找到了植物成长背后的“操控者”。

3月21日,《自然—植物》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王佳伟团队的最新成果。研究团队把拟南芥作为模式植物,利用遗传学、分子生物学和多组学分析等手段,系统描绘了基因MIR156/7家族成员是如何控制植物幼年期的生长发育,为探索植物的生命周期带来更深入理解。

该文章同时在《自然-植物》上刊登研究简报作为“编辑推荐”。

生命体中的“计时器”

植物由种子萌发,而后开花结果;人类初为婴孩,而后成人。如此循环往复,生命得以延续。然而,一代又一代的生命体为何会从幼年期开始?

“每个世代都有幼年期,每个新生命诞生时就像是‘恢复出厂设置’一样,这就是跨代重置。”论文通讯作者王佳伟告诉《中国科学报》,在植物的世代交替中必须经历幼年期的重置过程。

已有研究表明,植物幼年期的跨代重置受损,将会导致后代过早开花和繁殖失败。然而,跨代重置是如何进行的?其背后的分子机制目前尚未得到充分解析。

小分子RNA(microRNA,简称MIR)作为基因表达调控的一种重要手段,在植物的生长发育中发挥着重要的调节作用。一直以来,王佳伟团队以“年龄”为关键词,从小分子RNA入手,研究植物的植物发育过程和生命周期。

2009年,王佳伟团队研究发现,MIR156及与之基因序列相近的MIR157是植物幼年态向成年态转变的主要调控因子,它们对于幼年期的维持是充分且必要的。

有趣的是,MIR156/7犹如一个“计时器”,随着植物生长而“倒计时”——它们的含量在植物幼苗中很高,随着植物年龄增长含量逐渐减少。这类基因的存在,也说明了在植物在整个发育周期中,成熟衰老,直至死亡的过程是不可逆的。

“MIR156/7在世代交替中必然经历了重置过程,综合研究MIR156/7的重激活机制,将有利于我们进一步理解植物的幼年期重置乃至整个跨代重置的根本机制。”王佳伟说。

“计时器”如何控制幼年期

研究人员首先利用RNA原位杂交、荧光报告体系及small RNA-seq等方式对 MIR156/7家族进行考察,发现在拟南芥世代交替中,该家族的全部12个成员均发生了表达重置,但不同的基因,选择重置的时间节点有所不同。

比如有的基因在生殖过程中重置,并在受精后重新激活;有的基因在胚胎发生过程中更早激活;还有的基因在胚胎发生过程中几乎没有踪迹,但在种子萌发后开启高度表达模式。

“这正是生命的神奇所在,家族成员多,且发展出不同多样化的重编程途径,相当于有很多‘替补’选手,保证了植物幼年期重置的稳健性,即使丢失一两个基因也依旧能稳定地从幼年期出发,而后发展壮大。”王佳伟表示。

为什么一定要有幼年期?事实上,幼年期阶段的存在,对于后代繁殖积累足够的物质和能量具有重要意义,且幼年期越长,对植物充分成长的帮助可能越大。

为了进一步探究MIR156/7家族的功能,从2014年开始,王佳伟团队的研究人员开始借助于CRISPR/Cas9技术,克服传统的T-DNA插入突变体对于非编码基因的局限性。经过3名博士研究生的努力,终于成功获得了MIR156/7各基因的完全敲除突变体,以及各种组合的多基因突变体。

研究发现,在这些突变体中,植物的幼年期出现不同程度的缩短。而在12基因突变体中,甚至可以在不生长真叶的情况下直接抽薹开花。也就是说,通过彻底去除miR156/7,研究人员创造了一个没有幼年期、在胚胎时期就开花的植物。

这进一步表明了,植物世代交替中MIR156/7家族表达重置及幼年期重置的重要性。

追寻年龄的秘密

此外,研究人员还在最重要的两个家族成员——MIR156A和MIR156C基因的上游发现一段染色质可及性随生长发育逐渐降低的区域,命名为“幼年期重置区域”,并通过遗传学实验证明该区域对于MIR156及幼年期的重置具有重要作用。

随后研究人员发现,胚胎发育过程中的重要调控因子LEC2参与调控了MIR156A/C在世代交替中的重置过程。

植物在生长发育中还有个“跨代重置”过程——春化,即一些越冬植物需要经历长时间的冬季低温后,才能在春季回暖后开花结果,这种“记忆”在下一代的胚胎发育时被擦除重置,使每一代植物都要在开花前重新经历春化过程。

研究人员对比了植物“春化”过程与MIR156/7家族基因的调控机制,发现,植物春化途径的核心调控因子FLC的重置同样受到LEC2调控,而年龄途径的核心因子MIR156/7则以多基因家族成员并采用不同重置路线的方式,保证了植物幼年期重置的稳健性。

这两者的异同将为研究人员探索植物的生命周期带来更深入的理解。

论文评审专家之一澳大利亚国立大学教授托尼·米勒指出,该研究采用多种方法、科学且高质量地揭示了基因调控的复杂性,有助于进一步深入了解了MIR156/7的生物学机制。

谈及应用潜力时,王佳伟表示,在胚胎和幼苗阶段,高水平的MIR156/7可防止早熟开花,从而确保植物,尤其是粮食作物在最佳时间开花,以最大限度地提高种子产量。

除粮食生产之外,果树等经济作物种植者最关心的是,如何缩短幼年期,延长结果盛期,使生产上获得最大的经济收益,而MIR156/7家族基因的发现,也为其提供了科学依据。

“我们能不能缩短幼年期?为什么树可以活上千年,而人类最多只能存活100多年?能否延缓乃至逆转年龄?”在王佳伟看来,这是研究的第一步,他们希望找到生命年龄的奥秘,延缓衰老的办法,为人类的生命研究提供借鉴意义。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-022-01110-4

 

 
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