自然植物:寻找小肽补偿效应的动态演化规律实现干细胞发育的稳健性

农作物的驯化主要是对某一种植物进行人工选择、改良和增强，从而培育出更符合人类需求的新品种；物种进化通过驱动某个群体或系统的形态或性状的动态变化，产生新的物种。通过分析和利用植物进化和发育的规律，有望创造出全新的作物。茎尖分生组织是植物地上部分形态形成和作物产量性状形成的核心，也是胁迫改变作物性状的来源。然而，缺乏关于植物如何实现干细胞发育的稳定性及其动态进化的知识。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员曹旭和美国冷泉港实验室教授扎卡里李普曼在《自然植物》上发表了《植物干细胞C中小信号肽补偿的动态进化》一文。Ontrol的研究论文，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定的动态演化规律，为作物株型、果实产量、产品外观等重要农艺性状的分子设计提供了新思路。

茎尖干细胞的增殖受CLV3控制，cl v3是CLE基因家族中的一个明星肽。它通过结合LRR样细胞膜表面受体CLV1向细胞传递信号，并抑制干细胞增殖因子WUS的表达，与之形成负反馈回路，决定茎尖干细胞的增殖。这是在模式植物拟南芥中发现的经典分子途径。2015年，曹旭在研究CLV3小肽的化学和生物修饰机理时，发现CLV3是番茄果实从小到大驯化和选择的关键基因，在提高作物产量方面具有巨大的应用潜力。此后，这个小肽基因被广泛应用于不同作物的分子育种。其中，在2019年的研究中，曹旭等研究人员发现，星肽CLV3发生突变后，其与该家族的备胎基因CLE9的转录被剧烈上调，弥补了CLV3功能的缺失，从而保证了番茄茎尖干细胞发育的稳定性。一旦明星肽CLV3和备胎肽CLE9同时发生突变，番茄就会失去发育稳定性，无法完成生命周期。比较基因组学分析表明，这种由小肽介导的胁迫转录补偿机制在茄科植物中可能有一个得失的动态演化过程。系统分析这一过程，对于了解茄科重要经济作物的园艺性状，指导分子设计和育种具有重要意义。

因此，研究团队选取了番茄、经济作物烟草、花卉作物矮牵牛和新型果蔬等茄科果蔬作物的代表植物，利用比较基因组学、比较转录组学和基因编辑技术，系统研究了这种补偿机制的进化。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。具有反击能力的备胎基因CLE9在番茄、野生番茄、蘑菇果和矮牵牛中保留，在辣椒中仅保留部分编码序列，进化为假基因，但在烟草、马铃薯和茄子中完全丢失。在番茄、矮牵牛和蘑菇中，虽然CLV3的小肽高度保守，但其功能缺失突变体的表型差异较大。其中，番茄CLV3突变体的表型异常强烈，表现出明显的果实膨大和花器官丛生表型，而矮牵牛和蘑菇果实的表型非常弱，这说明三者的备胎基因CLE9的反击能力不同。进一步研究表明，这种差异是由两个因素决定的。一方面，不同物种的CLE9启动子区的顺式调控元件不同，因此胁迫上调的程度不同(量不同)；另一方面，来自不同物种的CLE9成熟肽的第六个氨基酸(由12个氨基酸残基组成)有一个从甘氨酸到丝氨酸的变异(质的差异)，第六个甘氨酸使CLE9与CLV1受体结合更紧密，从而增强了补偿效应。烟草作为典型的CLE9缺失的茄科植物，以基因组加倍产生大量拷贝的CLV3基因以量取胜，以被动补偿实现发育稳健。本研究提出了维持植物干细胞发育健壮的功能补偿机制的进化模型和变异理论，为不同作物的分子育种奠定了理论基础。

该研究阐明了随着遗传变异的积累，旁系同源基因间补偿能力从量变到质变的进化过程，揭示了小肽功能补偿机制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，这项研究一次性创造了多种园艺性状，如果实大小、花的观赏价值、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。

本研究得到了国家科委、中国科学院和遗传发展研究所植物基因组学国家重点实验室的支持。