植物的世代交替中，為何要經(jīng)歷幼年期的重置過程

正如孩童時(shí)期，父母總期盼著我們“快快長大”一樣，農(nóng)民對作物也有同樣的期待。如今，科學(xué)家找到了植物成長背后的“操控者”。

3 月21 日，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉團(tuán)隊(duì)發(fā)表了最新研究成果。他們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生長發(fā)育的，這有助研究人員深入探索、理解植物生命周期。

生命體中的“計(jì)時(shí)器”

植物由種子萌發(fā)，而后開花結(jié)果。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)有幼年期？

“植物每個(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?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄跫褌フf，在植物的世代交替中必須經(jīng)歷幼年期的重置過程。

已有研究表明，植物幼年期的跨代重置受損，會(huì)導(dǎo)致后代過早開花和繁殖失敗。然而，跨代重置背后的分子機(jī)制目前尚未得到充分解析。

小分子RNA（microRNA，以下簡稱MIR）作為基因表達(dá)調(diào)控的一種重要手段，在植物的生長發(fā)育中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。一直以來，王佳偉團(tuán)隊(duì)以“年齡”為關(guān)鍵詞，從MIR 入手，研究植物的發(fā)育過程和生命周期。

2009 年，王佳偉團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，MIR156 及與其基因序列相近的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，含量逐漸減少。這類基因的存在，也說明了在植物整個(gè)發(fā)育周期中，從成熟到衰老，直至死亡的過程是不可逆的。

“MIR156/7 在世代交替中必然經(jīng)歷了重置過程，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。

“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程中重置，并在受精后重新激活；有的基因在胚胎發(fā)生過程中更早激活；還有的基因在胚胎發(fā)生過程中幾乎沒有蹤跡，在種子萌發(fā)后開啟高度表達(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。

為什么植物一定要有幼年期？事實(shí)上，幼年期階段的存在，對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，對植物充分成長的幫助越大。

為了進(jìn)一步探究MIR156/7 家族的功能，從2014年開始，王佳偉團(tuán)隊(duì)的研究人員開始借助于CRISPR/Cas9 技術(shù)，克服傳統(tǒng)的T-DNA 插入突變體在非編碼基因方面的局限性，經(jīng)過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。其中有12 個(gè)基因突變體甚至可以在不生長真葉的情況下直接抽薹開花。也就是說，通過徹底去除MIR156/7，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)沒有幼年期、在胚胎時(shí)期就開花的植物。這進(jìn)一步表明，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)可及性隨生長發(fā)育逐漸降低的區(qū)域，將其命名為“幼年期重置區(qū)域”，并通過遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明該區(qū)域?qū)IR156 及幼年期的重置有重要作用。

隨后研究人員發(fā)現(xiàn)，胚胎發(fā)育過程中的重要調(diào)控因子LEC2 參與調(diào)控了MIR156A/C 在世代交替中的重置過程。

植物在生長發(fā)育中還有個(gè)“跨代重置”過程——春化，即一些越冬植物需要經(jīng)歷長時(shí)間的冬季低溫后，才能在春季回暖后開花結(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花前重新經(jīng)歷春化過程。

研究人員對比了植物“春化”過程與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。

這兩者的異同有助于研究人員探索、理解植物的生命周期。

論文評審專家之一、澳大利亞國立大學(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 可防止早熟開花，從而確保植物，尤其是糧食作物在最佳時(shí)間開花，以最大限度地提高種子產(chǎn)量。

除糧食生產(chǎn)之外，果樹等經(jīng)濟(jì)作物種植者最關(guān)心的是如何縮短幼年期，延長結(jié)果盛期，以獲得最大的經(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？為什么樹可以活上千年，而人類只能存活100 年？能否延緩衰老乃至逆轉(zhuǎn)年齡？”在王佳偉看來，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。