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王佳伟研究组揭示植物幼年期跨代重置的稳健机制

日期:2022-03-30  访问次数:60

        多细胞生物在整个生命周期中普遍经历发育阶段的时相转变,其中幼年期阶段的存在对于避免与成年个体进行生殖竞争,或为繁殖后代积累足够的物质和能量都具有重要意义。与动物不同,植物的生殖细胞或合子都源自成年期体细胞,因此在植物的世代交替中必须经历幼年期的重置过程,然而其中具体的分子机制目前尚未得到充分解析。

  在先前的研究中发现,植物中 microRNA156(miR156)及与之序列相近的 miR157 对于幼年期的维持是充分且必要的。miR156/7 的含量在幼苗中很高,随着植物的生长发育,其含量逐渐下降,这提示 miR156/7 在世代交替中必然经历了重置过程。而 miR156/7 分别由 8 个和 4 个前体基因产生,因此综合研究 MIR156/7 的重激活将有利于我们进一步理解植物的幼年期重置乃至整个跨代重置的根本机制。

  2022 年 3 月 21 日,国际学术期刊 Nature Plants 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为“A robust mechanism for resetting juvenility during each generation in Arabidopsis”的研究论文,并在同期刊登该杂志首篇研究简报“Transgenerational Reset of Juvenility in Plants”。该研究利用遗传学、分子生物学和多组学分析等手段,系统描绘了 MIR156/7 家族成员在拟南芥世代交替中的重置过程,阐释了 MIR156/7 表达重置与幼年期重置对于植物正常生长发育的重要性,并揭示了转录因子 LEAFY COTYLEDON2 (LEC2)在家族主效成员 MIR156A/C 跨代重置中的关键作用。

  研究人员首先利用 RNA 原位杂交、荧光报告体系及 small RNA-seq等方式对 MIR156/7 家族进行考察,发现在拟南芥世代交替中各成员均发生了表达重置,但具有不同的时间节点和潜在的不同机制。其中发挥主效作用的 MIR156A/B/C 在配子形成过程中出现激活,而 MIR157A/C 则在种子萌发时开启表达。

  借助于 CRISPR/Cas9 技术,研究人员克服了以往 T-DNA 插入突变体对于非编码基因的局限性,获得了 MIR156/7 各基因完全敲除突变体,以及完全敲除 MIR156 的八基因突变体和完全敲除 MIR156/7 的十二基因突变体。在这些突变体中,植物的幼年期出现不同程度的缩短;在十二基因突变体中,甚至可以在不生长真叶的情况下直接抽薹开花。这进一步表明植物世代交替中 MIR156/7 表达重置及幼年期重置的重要性。

  利用 ATAC-seq 和 H3K27me3 ChIP-seq,研究人员在 MIR156A/C 基因上游发现一段染色质可及性随生长发育逐渐降低的区域,命名为幼年期重置区域(juvenility resetting region,JRR),并通过遗传学实验证明该区域对于 miR156 及幼年期的重置具有重要作用。随后研究人员发现,胚胎发育过程中的重要调控因子 LEC2 通过直接结合 JRR 中的 RY-motif,参与调控了 MIR156A/C 在世代交替中的重置过程。值得注意的是,植物春化途径的核心调控因子 FLOWERING LOCUS CFLC)的重置同样受到 LEC2 调控;而年龄途径的核心因子 miR156/7 则以多基因家族成员并采用不同重置路线的方式,保证了植物幼年期重置的稳健性:两者的异同将为研究人员探索植物的生命周期带来更深入的理解。

  中国科学院分子植物科学卓越创新中心高健博士、张珂博士(上海科技大学联合培养)和程颖娟博士为该论文的共同第一作者,王佳伟研究员为通讯作者,虞莎、商冠东、王付祥、吴连宇、徐洲更、麦妍霞、赵昕妍、翟东、练恒等也参与了相关工作。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委、中国科学院先导项目和上海市超级博士后项目的资助。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-022-01110-4