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Nature Plants | 备胎基因如何逆袭？中科院遗传发育所许操团队合作发现小肽补偿效应实现干细胞发育稳健性的动态演化规律

花匠小妙招
2024-09-16 04:11

责编 | 王一

作物驯化主要针对某一种植物进行人工选择、改良和提高，以培育更符合人类需求的新品种；而物种演化则通过驱动某一个类群或一个系统的形态或性状的动态变化而产生新的物种，解析和利用植物进化发育演化规律则有望创造全新作物。茎尖分生组织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，但是，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。

2022年3月28日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队与美国冷泉港实验室Zachary Lippman团队合作在Nature Plants杂志发表了题为Dynamic evolution of small signaling peptide compensation in plant stem cell control的研究论文。该研究揭示了小肽信号功能补偿效应维持茄科不同经济作物茎尖干细胞发育稳健性的动态演化规律，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全新思路。

植物茎尖干细胞的增殖由CLE基因家族的“明星”小肽CLV3控制，它通过结合LRR类细胞膜表面受体CLV1将信号传递到胞内，抑制干细胞增殖因子WUS的表达，并与之形成负反馈环路决定茎尖干细胞的增殖，这是一条发现于模式植物拟南芥的经典分子途径。2015年，许操研究员在研究CLV3小肽的化学生物学修饰机制时发现CLV3是番茄果实从小到大驯化选择的关键基因，且在提高作物产量方面具有巨大的应用潜力【1】，自此拉开了该小肽基因在不同作物分子育种中广泛应用的序幕，比如2017年Cell发表对CLV3启动子区进行饱和编辑创造数量性状多样性的研究【2】，2018年Nature Biotechnology发表野生番茄从头驯化的研究【3】，2019年Nature Genetics 发表番茄CLE9应激性转录上调补偿CLV3功能的发育稳健性机制 (Developmental robustness) 【4】，2021年Nature Plants 发表两篇论文分别报道了基因编辑该小肽基因实现玉米和番茄快速育种等【5,6】。其中在2019年的研究中，许操研究员等发现“明星”小肽CLV3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。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。比较基因组学分析表明，这种小肽介导的应激性转录补偿机制在茄科植物中可能存在“获得-丢失”的动态演化过程，系统解析这一过程对理解茄科重要经济作物的园艺性状建成并指导分子设计育种意义重大。

为此，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果等代表植物，运用比较基因组学、比较转录组学和基因编辑等方法对该补偿机制的演化规律进行了系统研究。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，CLE9经历了保留、重复和丢失的历史动态，番茄、野生番茄、菇娘果和矮牵牛中保留了具备逆袭能力的“备胎”基因CLE9，在辣椒中只保留了部分编码序列，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、矮牵牛和菇娘果等作物中，尽管CLV3小肽高度保守，但其功能丧失型突变体的表型却具有很大差异。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 (Fasciation) ，而矮牵牛和菇娘果的表型却非常微弱，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：一方面，不同物种的CLE9的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 (量的不同) ；另一方面，不同物种CLE9的成熟肽 (由12个氨基酸残基组成) 的第六位氨基酸存在甘氨酸到丝氨酸的变异 (质的不同) ，第六位的甘氨酸使得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 (Gene duplication) 产生的大量的CLV3基因拷贝“以量取胜”，以被动补偿的方式实现发育稳健性。最后，该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理论基础。

过去几十年人们通过比较基因组学和比较转录组学等组学方法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，对阐明其演化机制做出重要贡献，但聚焦某一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。该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。重要的是，该研究一次性创制了多种园艺性状，比如果实大小、花卉的观赏性、生物量等，为分子设计育种提供了新的基因模块和设计思路。据悉，许操团队目前已经利用该机制对果蔬作物番茄、花卉作物矮牵牛以及粮食作物水稻进行了分子设计育种，体现了该机制在提高作物产量、外观和品质中的应用前景。

中科院遗传发育所许操研究员和美国冷泉港实验室Lippman教授为该研究的共同通讯作者，韩国庆熙大学助理教授Choon-Tak Kwon和许操研究员实验室博士研究生唐伶俐为该论文的主要作者，感谢西南大学郭余龙教授馈赠矮牵牛种子。该研究得到国家自然基金委、中国科学院以及植物基因组学国家重点实验室的项目资助。

参考文献

1.Xu, C. et al. A cascade of arabinosyltransferases controls shoot meristem size in tomato. Nature Genetics 47, 784–792 (2015).

2.Rodríguez-Leal, D., Lemmon, Z. H., Man, J., Bartlett, M. E. & Lippman, Z. B. Engineering Quantitative Trait Variation for Crop Improvement by Genome Editing. Cell 171, 470-480.e8 (2017).

3.Li, T. et al. Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing. Nature Biotechnology 36, 1160–1163 (2018).

4.Rodriguez-Leal, D. et al. Evolution of buffering in a genetic circuit controlling plant stem cell proliferation. Nature Genetics 51, 786–792 (2019).

5.Wang, X. et al. Dissecting cis-regulatory control of quantitative trait variation in a plant stem cell circuit. Nature Plants 7, 419–427 (2021).

6.Liu, L. et al. Enhancing grain-yield-related traits by CRISPR–Cas9 promoter editing of maize CLE genes. Nature Plants (2021). 7, 287-294(2021).

许操实验室简介与招聘启事

许操研究员实验室以番茄、野莴苣等园艺作物为研究模式，围绕植物发育可塑性、系统稳健性与环境适应性三个内在联系与统一的生物学主题，主要从小肽信号与细胞通讯、蛋白质相分离与生命系统稳健性、基因编辑与作物从头驯化及定向进化等方面开展研究，解析上述生物学主题内在联系与统一的基本规律，并利用这些规律创新育种策略和创制新型作物。许操研究员2017年8月于冷泉港实验室完成博士后训练，入职中国科学院遗传与发育生物学研究所，组建实验室4年多的时间里，聚焦番茄干细胞调控与设计育种，带领团队在Nature Biotechnology, Nature Genetics, Nature Chemical Biology, Nature Plants, Genome Biology 等杂志发表论文7篇，先后开辟了作物从头驯化、作物蛋白质相分离和植物发育稳健性等新兴领域。

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论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01118-w