探索植物背后的奧妙
——北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員李磊

□ 王 涵

李磊在辦公室

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院起源于1925年成立的北京大學(xué)生物學(xué)系，是我國(guó)高等院校中最早建立的生物學(xué)系之一。1952年全國(guó)高等學(xué)校院系調(diào)整時(shí)，北京大學(xué)、燕京大學(xué)和清華大學(xué)三校的生物學(xué)系合并，三泉匯流燕園，在此基礎(chǔ)上于1993年成立了北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院。經(jīng)過幾代人的辛勤耕耘，如今，生命科學(xué)學(xué)院已在國(guó)內(nèi)享有盛名，蓬勃興旺的發(fā)展更令其躋身國(guó)際前列。2016年QS世界大學(xué)生命科學(xué)專業(yè)排名中，生命科學(xué)學(xué)院位列第38名，成為唯一進(jìn)入世界前50的中國(guó)大學(xué)生物院系。

2014年，已經(jīng)旅居海外17年的李磊回到祖國(guó)，入職北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院任研究員?；貒?guó)后，他的研究主要集中于植物基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及植物microRNA功能，并在植物對(duì)內(nèi)源信號(hào)和外源刺激協(xié)同應(yīng)答的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和分子機(jī)制研究上做出了一系列創(chuàng)新成果，已在N a t u r e Genetics、The Plant Cell、PNAS、Genome Biology等刊物上發(fā)表論文40余篇。

盡管，植物科學(xué)近年來(lái)相對(duì)“冷門”，但是，因?yàn)閷?duì)植物的熱愛，李磊仍舊在這一領(lǐng)域樂此不疲地探索著。他堅(jiān)信植物科學(xué)對(duì)生命現(xiàn)象的探索是有一個(gè)獨(dú)特角度的，植物科學(xué)研究工作很重要。

探究植物MicroRNA基因的秘密

MicroRNAs（miRNAs-微型核糖核酸），是一種非編碼單鏈的小RN A分子，在轉(zhuǎn)錄后發(fā)揮著多種內(nèi)源性基因調(diào)控作用。自從1993年第一個(gè)miRNA（即秀麗隱桿線蟲中的lin-4被鑒定以來(lái)，已經(jīng)有數(shù)千個(gè)動(dòng)植物miRNA被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家同時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些miRNA在許多生物學(xué)過程中發(fā)揮調(diào)控作用。在植物中，miRNA能夠與其靶基因的互補(bǔ)序列結(jié)合，降解其靶基因，達(dá)到對(duì)細(xì)胞代謝進(jìn)行調(diào)控的目的。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著植物科學(xué)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的人開始對(duì)植物miRNA基因網(wǎng)絡(luò)的解析與功能進(jìn)行研究。

不過，在過去的十五六年里，大多數(shù)人的研究還集中在保守miRNA基因的研究上?！耙簿褪钦f，這個(gè)植物也有，那個(gè)植物也有，就被認(rèn)為是好的miRNA或者說是真正的miRNA。”李磊說道。然而在每一株植物中其實(shí)都存在著只有自身有，而其他植物沒有的獨(dú)特的miRNA基因。很多人認(rèn)為，這些獨(dú)特的miRNA或許是錯(cuò)誤的，抑或說，這些miRNA只是在演化歷史上短暫出現(xiàn)，因不具備生物學(xué)功能而終將被淘汰。因此，很少有人將精力放在對(duì)它們的探索上。

不過，李磊很早就意識(shí)到如果從生物信息的角度，或者從遺傳的角度上來(lái)看，這些獨(dú)特的miRNA都是實(shí)實(shí)在在的可能具有調(diào)控功能的基因?！叭绻粚?duì)它們進(jìn)行研究的話，一是對(duì)miRNA整體的描述是不完整的，二是對(duì)基因資源的一種巨大浪費(fèi)。也許它是某種植物所特有的，具有獨(dú)特功能，尤其在不同的植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)方面所發(fā)揮的作用。”基于這種考慮，李磊和他的同事在10多年前研究了一套生物信息學(xué)分析方法，利用測(cè)序技術(shù)，結(jié)合基因組數(shù)據(jù)去準(zhǔn)確地挖掘每種植物的miRNA。

挖掘到miRNA后，就要證明它的功能性。李磊和他的同事在擬南芥中分析了幾個(gè)小RNA的功能，將獨(dú)特的小RNA挖掘出來(lái)。有的小RNA能夠修飾細(xì)胞壁的組成，進(jìn)而控制細(xì)胞的大小。而改變細(xì)胞的大小以后就會(huì)影響植物的形態(tài)變化，從而在不改變細(xì)胞個(gè)數(shù)的情況下促使植物生長(zhǎng)變大。此外，李磊還將一些小RNA應(yīng)用于水稻中去增加它的表達(dá)，使水稻的米粒變大而不影響水稻的其他生長(zhǎng)特性，增加了水稻的產(chǎn)量。李磊表示，在研究這些小RNA的過程中，他們除了用遺傳的方法去研究其功能外，還研究了這些小RNA是受什么樣的調(diào)控方式影響，決定它在不同的時(shí)間其細(xì)胞表達(dá)量是高還是低。

李磊介紹說：“針對(duì)我們關(guān)心的這些小RNA，去梳理清楚它下游控制哪些基因的表達(dá)量，它上游又有哪些調(diào)控的因子決定這些小RNA的時(shí)空表達(dá)量，使得它們?cè)诓煌陌l(fā)育時(shí)期，不同的細(xì)胞里再現(xiàn)其原有的表達(dá)量。這其實(shí)就是對(duì)miRNA基因網(wǎng)絡(luò)的研究?！?/p>

進(jìn)行miRNA基因網(wǎng)絡(luò)的研究，就不得不重視環(huán)境因素。植物的生長(zhǎng)除了自身所具備的優(yōu)良性狀外，還要與所在的環(huán)境相契合。然而，如今全球變暖正愈演愈烈，極端天氣頻出，這些環(huán)境變化都會(huì)對(duì)植物的基因表達(dá)和發(fā)育進(jìn)程產(chǎn)生影響。其中，光和銅元素就是兩個(gè)調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要的環(huán)境因子。雖然人們對(duì)光和銅的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制已經(jīng)各自有了較為系統(tǒng)的了解，但是二者是否會(huì)協(xié)同調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育及其協(xié)同調(diào)控的分子機(jī)制仍尚未明朗。

基于一系列分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，已知HY5和SPL7分別為介導(dǎo)光和銅信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子。李磊課題組通過分子和生化研究證實(shí)在擬南芥中這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子之間存在互作，通過全基因組染色質(zhì)沉淀和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)HY5和SPL7可以共同調(diào)節(jié)多個(gè)基因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)SPL7和HY5共同結(jié)合在miR408基因的啟動(dòng)子上，導(dǎo)致miR408及其靶基因的表達(dá)量在光強(qiáng)和銅含量變化時(shí)呈現(xiàn)差異表達(dá)，而這種調(diào)控方式與細(xì)胞中銅向葉綠體和質(zhì)體藍(lán)素的運(yùn)輸和分配，以及光合作用的水平緊密相關(guān)。李磊課題組通過遺傳分析還發(fā)現(xiàn)，在HY5,SPL7和HY5/SPL7突變體中過表達(dá)miR408基因可以恢復(fù)這些突變體的表型缺陷。這些發(fā)現(xiàn)為研究環(huán)境因素如何通過miRNA協(xié)同調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了新的認(rèn)識(shí)。

2018年，李磊課題組又在miR408的功能和應(yīng)用研究中取得新進(jìn)展。課題組選取了模式植物擬南芥以及兩類經(jīng)濟(jì)作物——煙草和水稻作為研究材料，通過基因工程手段，超量表達(dá)三種植物材料的miR408基因。研究結(jié)果表明，3種植物的幼苗生長(zhǎng)相較于野生型都得到了顯著提高；并且測(cè)量成體材料葉片的凈光合速率、光受體Ⅱ的電子傳遞速率、葉綠素?zé)晒獾姆枪饣瘜W(xué)淬滅、質(zhì)體醌A還原程度和光受體Ⅰ氧化程度等指標(biāo)表明，miR408過表達(dá)植株的光合作用能力顯著優(yōu)于野生型；另外，3種miR408過表達(dá)材料的種子大小也顯著增加，并且通過兩年兩地區(qū)的水稻田間實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，miR408過表達(dá)的水稻材料其有效分蘗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、千粒重和小區(qū)產(chǎn)量都得到了相應(yīng)提高。機(jī)制研究方面，miR408有效地提高了3種植物材料的細(xì)胞中銅離子在葉綠體中的分配比例，進(jìn)而提高了光合電子傳遞鏈的“電子載體”——含銅蛋白質(zhì)體藍(lán)素的蛋白水平，同時(shí)顯著地增加了光合作用相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。

建立專業(yè)的植物miRNA數(shù)據(jù)庫(kù)

從植物miRNA首次發(fā)現(xiàn)距今的20年里，伴隨著鑒定出來(lái)的miRNA急劇增加，專業(yè)的miRNA儲(chǔ)存、分類、查詢的數(shù)據(jù)庫(kù)也應(yīng)運(yùn)而生。目前已經(jīng)有了幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，例如，miRBase、PMRD和PmiRKB，專門用于對(duì)與植物相關(guān)的miRNA信息進(jìn)行歸檔，并且極大地促進(jìn)了對(duì)miRNA的研究。然而，它們也存在著一些明顯的缺陷，即許多重要物種條目缺失，不同物種之間的注釋標(biāo)準(zhǔn)不一致，大量可疑條目和注釋信息有限等諸多問題。為了解決這些問題，李磊課題組與北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心的楊效曾研究員課題組合作開發(fā)了“植物miRNA百科全書”數(shù)據(jù)庫(kù)（PmiREN）。

該數(shù)據(jù)庫(kù)使用miRDeep-P2軟件對(duì)測(cè)序的小RNA庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，然后使用最新更新的植物miRNA鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，并給出全面的注釋。PmiREN目前有88個(gè)植物物種的1537個(gè)sRNA-Seq數(shù)據(jù)集，包含的植物范圍從藻類植物到被子植物。在使用以miRDeep-P2為中心的標(biāo)準(zhǔn)方法解析這些sRNA-Seq數(shù)據(jù)集時(shí)，使用更新的miRNA注釋標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)前發(fā)布的miRBase進(jìn)行比較，總共注釋了20388個(gè)miRNA，其中包括16422個(gè)首次鑒定到的高可信度的miRNA基因位點(diǎn)。

李磊表示，對(duì)于每一個(gè)miRNA條目，只要有可能，就會(huì)附上關(guān)于前體序列、前體二級(jí)結(jié)構(gòu)、表達(dá)模式、基因簇和基因組的位置信息、RNA末端平行分析（PARE）測(cè)序支持的潛在靶基因以及參考文獻(xiàn)。

PmiREN中的miRNA注釋具有幾個(gè)獨(dú)特的特征。首先，由于所有miRNA都是從sRNA-Seq數(shù)據(jù)集中解析出來(lái)的，所以miRNA表達(dá)信息可以直接從這些sRNA-Seq數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)化中獲得。例如，在擬南芥中，來(lái)自不同組織和發(fā)育階段的所有miRNAs的表達(dá)模式，都可用于對(duì)在特定組織中表達(dá)的miRNAs進(jìn)行聚類。其次，PmiREN對(duì)許多條目的miRNAs相關(guān)信息進(jìn)行了糾正和修改，包括家族分配、成熟等，而這些信息在miRBase中被錯(cuò)誤地進(jìn)行了注釋。這種改進(jìn)有助于從不同物種中識(shí)別miRNAs的演化關(guān)系。例如，根據(jù)一致的核苷酸和系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系，對(duì)miR156/157/529超家族進(jìn)行人工修正后，便可以清晰地勾勒出其演化歷程：即miR156亞家族存在于所有物種中，而miR157只存在于雙子葉植物中，miR529只存在于單子葉植物中。通過基因組間的共線性分析，我們可以檢測(cè)到miRNA基因的產(chǎn)生和丟失。使用psRNATarget和RNAhybrid兩種不同的程序，對(duì)PmiREN中的miRNA進(jìn)行靶基因預(yù)測(cè)，并通過PARE-Seq數(shù)據(jù)集進(jìn)行驗(yàn)證。

PmiREN提供了方便的訪問模式和8個(gè)搜索方式。用戶可以通過快捷方式和多層網(wǎng)頁(yè)瀏覽所有數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)都可以按批量或自定義的方式進(jìn)行下載。因此也可以說，PmiREN是一個(gè)綜合性的功能數(shù)據(jù)庫(kù)，適用于數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究，并能夠作為植物miRNA研究的有用資源。李磊說道：“我覺得做科研，一方面是要自己去發(fā)現(xiàn)，另一方面要把自己的發(fā)現(xiàn)分享出來(lái)，讓更多的人從不同的角度去研究這個(gè)東西。這也是我們做這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的初衷?！?/p>

熱衷科普的植物學(xué)家

植物學(xué)涉及生活的方方面面，“大到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展，小到人的健康、飲食、生活習(xí)慣”，其重要性十分顯著。不過，因?yàn)榇蟊婇L(zhǎng)久以來(lái)對(duì)植物學(xué)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，“提到植物學(xué)，大家都覺得是種莊稼”，所以大部分學(xué)生對(duì)植物學(xué)都不太了解，甚至不太感興趣。

作為這個(gè)領(lǐng)域的科研者，李磊也能理解為什么大眾會(huì)對(duì)植物科學(xué)產(chǎn)生這樣的印象。但是，理解不代表認(rèn)同，在他看來(lái)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步依賴于對(duì)整個(gè)世界認(rèn)知的進(jìn)步，歸根到底，植物科學(xué)相比于其他科學(xué)本質(zhì)上沒有什么區(qū)別，都是在探索自然界的秘密，探索生物現(xiàn)象背后的規(guī)律。他說道：“其實(shí)植物是很值得研究的，它們有著獨(dú)特的生命活動(dòng)規(guī)律，適應(yīng)環(huán)境、改造環(huán)境的生活方式與動(dòng)物不同，論聰明才智一點(diǎn)不輸于動(dòng)物。”

為了讓更多的學(xué)生了解植物科學(xué)，也為了提高他們對(duì)植物學(xué)的興趣，2015年，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院開設(shè)“舌尖上的植物學(xué)”一課，隨后，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院也開設(shè)了該課。這門公選課由中國(guó)科學(xué)院院士許智宏教授、美國(guó)科學(xué)院院士鄧興旺教授和李磊共同授課。

團(tuán)隊(duì)合影

“舌尖上的植物學(xué)”第一次開課的時(shí)候，李磊其實(shí)并沒有多少把握，甚至做好了無(wú)人問津的心理準(zhǔn)備。而真實(shí)情況卻大大出乎他的意料，在沒有進(jìn)行任何宣傳的情況下，竟然有140個(gè)學(xué)生選了這門課，這給予了他巨大的鼓勵(lì)，也給他帶來(lái)了不小的壓力，“我們確實(shí)沒想到會(huì)有這么多同學(xué)選擇這門課程”。“舌尖上的植物學(xué)”開課4年來(lái)，每一年開學(xué)，李磊都要安排調(diào)換教室。因?yàn)檫x擇這門課的學(xué)生每年都在增加。2018年時(shí)，選擇這門課程的學(xué)生已經(jīng)達(dá)到了300多人。

除了同學(xué)們的支持，同事對(duì)李磊的幫助也很令他感激。作為這門課的發(fā)起人之一，許智宏校長(zhǎng)在社會(huì)事務(wù)極其繁忙的情況下，依然堅(jiān)持每年來(lái)上兩次課。每次講課時(shí)，許智宏校長(zhǎng)都聚精會(huì)神，兩節(jié)課下來(lái)連水都不喝，有同學(xué)請(qǐng)他坐著講，也被他婉言謝絕了。談到許智宏校長(zhǎng)的付出，李磊的話語(yǔ)里充滿尊敬。在他看來(lái)，許智宏校長(zhǎng)給他做了很好的表率，“老一輩科學(xué)家這種認(rèn)真負(fù)責(zé)的精神，確實(shí)非常值得我們學(xué)習(xí)”。除此之外，另一位主講人鄧興旺教授也在這門課上投入了很多的精力，“他會(huì)邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)植物科學(xué)領(lǐng)域幾位很有影響力的科學(xué)家來(lái)給大家講課，每年邀請(qǐng)的人都不一樣，希望給大家增加一些新的不一樣的內(nèi)容”。

盡管“舌尖上的植物學(xué)”已經(jīng)走在了科普類通選課的前列，但在李磊看來(lái)，這門課程依然在摸索和完善的過程中。老師們?cè)诮o學(xué)生講完以后會(huì)聽取學(xué)生的反饋，在此基礎(chǔ)上，再做些調(diào)整和改進(jìn)，增加授課的靈活性。李磊說：“只要同學(xué)們?cè)敢饴牐俏覀兙鸵M力把這個(gè)課上好，也一直上下去?！?/p>

熱愛科研，熱愛植物。在植物科學(xué)研究這條道路上，李磊一直是一個(gè)追夢(mèng)人。如今，他正通過自己所能做到的形式把這份追夢(mèng)的熱情傳遞給更多的年輕人。