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遗传发育所揭示控制植物早期胚胎发育的激酶信号调控机制,版纳植物园在能源植物小桐子基因组中发现3个开花抑制基因
发布时间:2020-03-26 06:56
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“杂种优势”(heterosis,指基因型杂合的个体往往更具优势)这个现象自上世纪发现起就一直在农业育种中有相当大的应用,但是其中的分子机制,尤其是涉及单个或多个基因的机制,尚不明确。近日,来自冷泉港扎克里·利普曼(Zachary Lippman)实验室的科学家们在番茄等开花植物中发现了部分玄机。该研究成果在12月26日发表在《PLoS Genetics》上\[1\]

春种一粒粟,秋收万颗子。能不能收得更多?在美国冷泉港实验室,一批植物学家致力于通过改变作物自身的基因来增产。我和扎克里·利普曼(Zach Lippman)小组里的“番茄编辑”们试图通过摸索控制番茄花期的关键基因来调整番茄产量,取得了突破性进展,并将论文发表在了《自然》子刊《自然-遗传学》(Nature Genetics)上。

开花是高等植物由营养生长进入生殖生长的重要标志,受促进或抑制开花基因的双重调控。FT/TFL1基因家族在植物的成花过程中起着重要的作用,其中TFL1TERMINAL FLOWER 1)类基因发挥着抑制开花的功能。

双受精是高等植物的重要特征。双受精产生受精卵和胚乳核,再进一步发育为胚胎和胚乳,形成种子。植物的受精卵直接分化为合子,合子伸长后经历的第一次分裂为不对称分裂,产生两个大小不同、命运相异的细胞,即体积较小但细胞质浓厚的顶细胞和体积较大但胞质较少的基细胞。顶细胞经过多次分裂,产生子叶、胚芽和胚轴等;基细胞则产生胚根和胚柄(在胚胎发育过程中胚根逐渐降解)。因此,合子极性的形成和第一次不对称分裂即确立了个体发育的模式,在植物胚胎发育中具有重要意义。

植物在生长周期里一般把获得的营养和能量用在两个方面:一是营养生长(“长个”),一是生殖生长(“生娃”)。除开一系列人为修枝等方式外,它们自身有一系列的基因控制自己合理地在不同环境下对二者进行能量分配。对番茄而言,这些包括促进营养生长的SP基因(Self Pruning)和能够分泌“成花素”(Florigen)的SFT基因(Single Flower Truss)。花的发育可谓是最能够区分“长个”和“生娃”的事件了;虽然SPSFT之间互动的具体分子机制还不明确,但它们之间的相互作用确实能够改变植物的出芽规律,进而影响营养和能量分配。

人类的农业史是无数动植物的驯化史。通过将大自然原有的动植物人工驯养为牲畜或栽培为作物,我们开始定居生活,建立农业社会,最终发展出灿烂的文明。每一种作物都具有的独特驯化和育种历史,仔细考察这些悠远而曲折的历史点滴,我们会发现作物背后的精彩故事,并可能探索出更令人称奇的结果。我们研究的番茄就是其中一个例子。

中国科学院西双版纳热带植物园能源植物分子育种研究组的博士研究生李超琼与科研人员付乾堂及其合作者在研究员徐增富的指导下,对能源植物小桐子(Jatropha curcas)的3个TFL1同源基因JcTFL1aJcTFL1bJcTFL1c分别进行了功能分析。研究结果发现,在野生型拟南芥和拟南芥的tfl1-14突变体中超量表达JcTFL1bJcTFL1c基因均表现出极度晚花现象,且转基因拟南芥的花序和果荚均呈现发育异常;但超量表达JcTFL1a的转基因拟南芥并未呈现开花相关表型异常现象。科研人员进一步分别将3个JcTFL1基因在小桐子中进行超量表达,结果表明:3个JcTFL1基因超量表达的转基因小桐子则均呈现出延迟开花的表型;同时发现促进开花的基因JcFTJcAP1在转基因植株中显著下调表达。另外,通过RNA干涉技术获得的JcTFL1b 基因沉默的转基因小桐子则表现出早花现象。该研究结果表明,JcTFL1类基因是小桐子的成花抑制基因,具有抑制植物开花的功能。

中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才研究组通过对拟南芥Ds插入突变体zygotic arrest 1 (zar1) 进行深入研究,揭示了控制植物早期胚胎发育的激酶信号调控机制。在 zar1突变体中,合子发育停滞在伸长期,或者显示异常的对称分裂,产生一个大的顶细胞和一个短的基细胞。进一步观察发现,WOX2WOX8WRKY2 等细胞特异性标记在zar1突变体中非正常表达,表明顶细胞系和基细胞系的细胞分化异常。ZAR1基因编码一个定位于细胞膜的RLK/Pelle 激酶,ZAR1在成熟胚囊的助细胞、卵细胞和中央细胞中特异表达,受精后,ZAR1集中在合子和胚乳中。ZAR1能够与钙调蛋白和G蛋白的β亚基相互作用,而这种结合又可激活ZAR1的激酶活性。在zar1, agb1, 和zar1 agb1等突变体中均出现不正常的合子分裂,进一步说明ZAR1作为细胞膜受体激酶,通过对外部信号、钙离子信号和G蛋白通路信号的整合,调控了合子分裂和早期胚胎发育过程中细胞分化和命运决定。

“在20世纪初期,人们发现SP突变的番茄开花略早一些。而且不像共轴单元(一种特殊的侧枝)无限延伸的一般品种,SP突变体产生有限的共轴单元后就停止生长。这种生长方式使番茄在固定时间内开花结实更多,产量显著增加,而且可以使用大规模的机器收割。”文章的第一作者蒋科博士向果壳网介绍道。

三片叶子一组花

野生番茄(Solanum lycopersicum)原产于南美的秘鲁地区,最早由南美原住民驯化种植。由于野生番茄的果实体型很小,只有小葡萄那么大,驯化的目标一直以来都是使果实更大,果肉更多。经过长期坚持不懈的人工选择,我们最终获得了果实巨大,果肉多汁的番茄,并由此衍生出无数番茄作为原料的美味佳肴。

如果你仔细观察番茄的枝桠结构,会发现它是一种十分有规律的组合,就好像番茄能自己计算和数数。在最常见的菜园番茄植株上,一般来说枝桠结构是这样的:从幼苗开始,主枝产生7-9片叶子,然后开出一组花。此后,便不断从旁边伸出一条侧枝,生长出3片叶子,再开出一组花。循环往复,向上生长。一般情况下,每条侧枝都会取代主枝位置,使植株看起来就像是一条主枝在一直向上生长,而一组又一组的花开在侧面。

图片 1野生型番茄植株的枝桠结构和开花事件示意图(左)和代表性照片(右)。图片来源:Nature Genetics

目前在温室中进行的番茄种植正是依赖于这种枝桠生长方式:捆绑在柱子或者网上的植株全年可一直生长,直至从下到上从左到右绕整个温室一圈。我们可以全年不断获得渐进成熟的果实。在这种番茄植株上,每组果实(开花事件)之间必定间隔3片叶子。

相关结果以Three TFL1 homologues regulate floral initiation in the biofuel plant Jatropha curcas为题发表于《科学报告》(Scientific Reports)。该研究得到了国家自然科学基金(31370595和31300568)项目的资助。

该研究得到国家自然基金委面上项目和科技部“973”计划资助,相关研究论文于3月25日在线发表于PLoS GENETICS 杂志,杨维才实验室的于天英和石东乔为论文共同第一作者。

图片 2野生型番茄(左)和SP突变失效的番茄(右)在生长模式。果实的颜色代表成熟程度,从黄→绿→橙→红依次成熟。突变的植株果实更密集,成熟程度更相仿。图片来源:Jiang et al. (2013) PLoS Genet.

短小精悍的sp番茄

20世纪初,美国佛罗里达的农民发现了一个奇特的番茄品种。这个品种的番茄并不产生间隔3片叶子的花序。在第一朵花开放后,这种番茄迅速产生2片和1片叶子的侧枝并开3组花,然后主枝就停止生长。在种满番茄的菜地里,这个品种的番茄显得特别矮,枝桠总量也少,就像被修剪过一样,所以人们给它起了个名字,称作sp(self pruning,自修剪)。

sp番茄虽然看起来又小又矮,却有着巨大的优点:它迅速生长开花,然后停止生长,所以几乎所有果实可以同时成熟。此外,由于这个品种体型低矮,使机械化种植和收获番茄第一次成为了可能。顺理成章地,sp品种开启了番茄的大规模工业化生产,也使大量应用番茄的各种食品工业迅猛发展。当你在麦当劳把薯条伸到番茄酱中时,你所品尝到的几乎一定是sp番茄。

可是sp番茄究竟是怎么来的呢?这个谜底直到1998年才被揭开。以色列耶路撒冷大学的丹尼·扎米尔(Dani Zamir)研究组最终用现代分子生物学技术成功分离克隆了SP基因\[1\]sp番茄所有的性状都来源于SP基因上一个小小的突变。而SP基因所编码的,正是开花植物生长过程中非常重要的一种植物激素——反开花素。就像漫画和电影中的“X战警”一样,具有这种SP基因突变的番茄不但没有成为“恶魔”,反而成为了立下奇功的“超级”番茄。

而这,只是神奇变种番茄的一个开端。

文章链接

论文信息:Yu T-Y, Shi D-Q, Jia P-F, Tang J, Li H-J, Liu J, et al. The Arabidopsis Receptor Kinase ZAR1 Is Required for Zygote Asymmetric Division and Its Daughter Cell Fate. PLoS Genet 12: e1005933. doi:10.1371/journal.pgen.1005933.

“后来,人们发现SP是拟南芥中 TFL1的同源基因,是决定开花时间的一个主要基因\[2\]。再后来,人们发现SFT突变在杂合的时候具有杂种优势,但只在 SP突变体植株上表现\[3\]。有趣的是,SFT在拟南芥中的同源基因是FT,是决定开花时间的另一个主要基因\[4\]。”蒋科说:“于是,我们认为番茄控制花期的系统能显著影响产量。更重要的是,以前番茄育种主要关注果实性状,没有研究过花期调节的育种潜力。目前我们尚不清楚SFT/SP系统具体如何影响产量,所以这是一次非常有益的探索。”

开花素与反开花素的对峙

我们已经提到,SP基因编码的是番茄的“反开花素”,顾名思义,那是一种与“开花素”对应的物质。开花素(florigen)在植物下部的叶中产生,并通过某种方式运输到顶端分生组织,促使顶端分生组织停止更多叶的分化,而转为制造开花组织。它就像一个信号的集成者,收集所有促进植物开花的信号,然后自己充当信使,从叶中跑到顶端分生组织中,启动植物的开花过程。

而反开花素,正是在顶端分生组织表达,阻止开花过程发生的激素。在开花植物中,开花素和反开花素的作用像一对在门两边同时推门的人,一个想要开门,一个想要关门,达成微妙的平衡——正是这种平衡使番茄在每2个开花事件之间的叶子维持在3片,不多也不少。

sp番茄中,基因突变使反开花素失去了作用,相当于使在门背后挡着不让开门的力量消失了。这样,当开花素从植物下面冲上来的时候,一下子就能把门撞开,番茄迅速开花。这就是为什么在sp番茄中开花事件之间的叶子越来越少,最后索性开完花后停止生长。

如果我们把这推门的力量——开花素——也撤走,这“门”会怎样呢?2008年,扎米尔研究组发现了开花素和反开花素基因都突变了的番茄植株sft:sp,这种番茄很难开花,整棵植株一般只开寥寥几朵花。“sft”(Single Flower Truss,单独花)的名字便由此而来。

然而,这看似先天不足的突变株居然也可以书写神奇:当研究者把sft:sp番茄和sp番茄杂交后,子一代(F1)的番茄产量比它的亲本sp还增加了40%!子一代从sp亲本继承了一个健康的开花素基因,同时也从sft:sp亲本继承了一个突变的开花素基因,却能比拥有2个健康开花素基因的sp产生更多果实。这是一种罕见的单基因杂种优势案例\[2\]

尽管乍看之下,这“以一胜二”看似不符合直觉,但只要回到开花素与反开花素的平衡模型,我们会发现问题其实非常简单。

失去反开花素(sp番茄),开花加快;再失去开花素(sft:sp番茄),开花停止;加回一个开花素基因(F1),开花恢复,但因为开花素还少一份,所以开花速率较sp番茄降低。而开花速率降低,便意味着增加了开花事件之间间隔的叶子数量,最后增加了总开花数量,形成更多的果实。

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图片 5拟南芥中和SPSFT同源的FT/TFL基 因上的突变能产生类似的效应,不同的配比产生了不同的结实效果。从左至右依次为tfl1-2突变株(对应番茄中的sp突变株),ft-2杂合的tfl1-2突变株(对应sft杂合的sp突变株),两个都突变的,和只突变ft-2(对应番茄的sft)的。最右为野生型。图片来源:Jiang et al. (2013) PLoS Genet.

花是一扇门,增产靠平衡

在仔细研究番茄枝桠结构随开花素和反开花素增减而发生的变化后,美国冷泉港扎克里·利普曼(Zach Lippman)研究组发现取消反开花素后,番茄枝桠结构会对开花素的数量非常敏感,开花素数量的微妙变化往往能引起整个植株枝桠结构的连锁变化,最终影响果实产量\[3\]

搞清楚了这个模型后,我们得到非常自然但又非常激动人心的推论:在缺乏反开花素的番茄中,任何控制开花素数量的因素都可以改变开花素和反开花素的平衡,进而改变枝桠结构。摸索到那扇“门”的最佳位置,我们便能够实现果实增产。

怎样才能找到这些影响因素呢?开花事件之间的叶子数量便是最有力的武器:如果开花事件之间叶子变少了(少于3片),说明开花速率太快,开花素太多了;而如果开花事件之间叶子变多了(等于或多于3片),说明开花速率变慢了,开花素又太少了。

如此这般,开花素的多少就成为了我们调节番茄果实产量的一个“秘密”开关。在这种思想的指导下,利普曼的研究小组筛选了大量突变体,最终发现了一系列开花素数量被改变的突变体\[4\]。通过互相杂交把这些不同的突变重新排列组合,研究者得以探索产量最高的组合方式。

图片 6不同番茄突变株的产量示意图。图片来源:Nature Genetics

这种自由的随机组合不仅能帮助我们找到开花素调节开关的每一个档位,还有助于发现所能调节的最高和最低值。最终,利用番茄中这许许多多的“X战茄”——突变株们,我们进一步理解了开花素和反开花素在番茄发育中的作用,把番茄的驯化向前推进了一大步:以前,驯化的目标侧重于果实大小和质量;现在,有赖这些突变体,我们又有了足够的育种工具来优化枝桠结构,以最大化果实数量。

现在,研究者正试图把这一思想应用到其他作物上,因为开花素和反开花素的微妙平衡存在于一切开花植物中。当前正是利用突变体进行类似育种试验的黄金时代,在生物学的最前沿,一种能方便快捷的精确改造物种基因组,产生人工突变体的新技术CRISPR,正蒸蒸日上地发展着\[5\]。在这些利好条件下,相信很快,我们就能够在任何作物的任何基因上制造任何我们想要的突变,使我们拥有近乎无限的突变体材料来进行排列组合,制造产量更高,质量更好的作物。(编辑:Calo)

超量表达JcTFL1类基因的转基因小桐子呈现晚花现象。A、B、C图分别为超量表达JcTFL1aJcTFL1bJcTFL1c的转基因小桐子,E、F、G分别为其对应的茎尖生长状态,均处于营养生长期。D图为野生型小桐子,H为野生型小桐子果序。

zar1agb1 突变引起的合子分裂表型异常。本图分别显示Ler 野生型, 与zar1-1 , zar1-2 , agb1-2 , 和 zar1-2 agb1-2 等各突变体的顶细胞和基细胞。ac, 顶细胞(apical cell); bc, 基细胞(basal cell); dp, 细胞分裂面(division plane)。标尺= 10 μm。

研究团队发现,SP突变体番茄能够减少每个共轴单元中的叶片数,增加花的数量;而在此基础上,如果一对SFT基因(番茄是二倍体)上有一个因为突变而失效,则主芽和侧芽上花发育会延迟,产生比SP突变体多一些的共轴单元和花,从而不仅让番茄成熟的时间更加统一,也使植株有更多的时间长出叶片积累营养。这会不会是因为,少了一份基因作为生产源之后,成花素的水平变得更适宜增产了呢?研究人员随即用微小RNA抑制番茄体内SFT(成花素)的表达,模拟SP突变株中SFT基因的不同表达水平。

参考文献:

  1. Pnueli L, Carmel-Goren L, Hareven D, Gutfinger T, Alvarez J, Ganal M, Zamir D, Lifschitz E. The SELF-PRUNING gene of tomato regulates vegetative to reproductive switching of sympodial meristems and is the ortholog of CEN and TFL1. Development. 1998 Jun;125(11):1979-89.
  2. Krieger U, Lippman ZB, Zamir D. The flowering gene SINGLE FLOWER TRUSS drives heterosis for yield in tomato. Nat Genet. 2010 May;42(5):459-63.
  3. Jiang K, Liberatore KL, Park SJ, Alvarez JP, Lippman ZB. Tomato yield heterosis is triggered by a dosage sensitivity of the florigen pathway that fine-tunes shoot architecture. PLoS Genet. 2013;9(12):e1004043.
  4. Park SJ, Jiang K, Tal L, Yichie Y, Gar O, Zamir D, Eshed Y, Lippman ZB. Optimization of crop productivity in tomato using induced mutations in the florigen pathway. Nat Genet. 2014 Dec;46(12):1337-42.
  5. Doudna JA, Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science. 2014 Nov 28;346(6213):1258096.

图片 7利用微小RNA控制不同SFT表达水平,从高到低依次野生型(WT)>SP基因突变型(sp)>a>c>b(抑制程度用星号数目表示)的番茄植株中,花(左)和叶(右)的数量。其中中等水平的c生长状况更好。图片来源:Jiang et al. (2013) PLoS Genet.

文章题图:Nature Genetics

 

结果表明,在表达水平与杂合类似的时候,番茄第一次开花前长出的叶片更多,同时花的数目也不太受影响。团队随后也在拟南芥中模拟了这些基因组合,也得到了类似的结果。“SFT,即合成成花素的基因,是植物中广泛存在的促开花基因”蒋科总结说:“而SP,与拟南芥的TFL1同源,却是一个抑制开花的基因。SP基因的失效让番茄迅速开花,而SFT表达量的改变(译注:在杂合中主要是减少)则能通过延迟开花来平衡SP的效力。SFTSP剂量的协调能够让枝桠结构更适合高效结实,增加产量。”

种番茄可不像我们想的那样简单。水稻、小麦、玉米这样的粮食作物已经通过长时间的筛选统一了成熟时间,并适应了不同种植地区的气候;而番茄则不然。由于历来对番茄的筛选都只注重果实大小和质量,它的花期和生长的不确定性几乎和它的野生祖先一样\[5\]。对于供市场出售的新鲜番茄,农户们需要定期修剪顶芽,并适当疏花疏果来保障果实的质量,同时还得在整个种植期间一直留意果实成熟情况,适时采摘。对于用来制作加工食品的番茄,大需求量和较低的口感要求使得大规模种植不可能那样费事,往往只是一季一收,进而更希望能在短期内收到更多的、成熟程度差不多的果子——这种情况下,让它们在花期多多开花结果可谓是增产又省事。

这项发现为提高番茄产量提供了一条新思路—— “比方说,”蒋科表示:“通过诱变和杂交在SPSFT等相关基因上引入突变,我们能进一步调和二者的表达量,甚至调节整个花期控制系统来调控花期,找到最适宜高产的组合。”——这样也许就能更加多快好省地种番茄了吧。蒋科透露:“现在,我们正在探索这个新方向,寻找这套系统里的其它基因以了解它们的育种潜力。同时,我们也在准备将研究成果商业化。”

论文的第一作者蒋科博士对本报道提供了许多帮助,特此感谢。

参考文献:

  1. Jiang K, Liberatore KL, Park SJ, Alvarez JP, Lippman ZB (2013) Tomato Yield Heterosis Is Triggered by a Dosage Sensitivity of the Florigen Pathway That Fine-Tunes Shoot Architecture. PLoS Genet 9(12): e1004043. doi:10.1371/journal.pgen.1004043
  2. Pnueli L, Carmel-Goren L, Hareven D, Gutfinger T, Alvarez J, et al. (1998) The SELF-PRUNING gene of tomato regulates vegetative to reproductive switching of sympodial meristems and is the ortholog of CEN and TFL1. Development 125: 1979-1989.
  3. Krieger U, Lippman ZB, Zamir D (2010) The flowering gene SINGLE FLOWER TRUSS drives heterosis for yield in tomato. Nat Genet 42: 459-463.
  4. Shalit A, Rozman A, Goldshmidt A, Alvarez JP, Bowman JL, et al. (2009) The flowering hormone florigen functions as a general systemic regulator of growth and termination. Proc Natl Acad Sci USA 106: 8392-8397.
  5. PeraltaIE,SpoonerDM (2005) Morphological characterization and relationships of wild tomatoes (Solanum L. Section Lycopersicon). Monogr Syst Bot Missouri Bot Gard:227-257.

信息来源:EurekAlert!

文章题图:Shutterstock友情提供

 

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