植物“跨代重置”的机制

3月21日，《自然—植物》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王佳伟团队的最新成果。研究团队把拟南芥作为模式植物，利用遗传学、分子生物学和多组学分析等手段，系统描绘了基因MIR156/7家族成员是如何控制植物幼年期的生长发育，为探索植物的生命周期带来更深入理解。

该文章同时在《自然-植物》上刊登研究简报作为“编辑推荐”。

生命体中的“计时器”

植物由种子萌发，而后开花结果；人类初为婴孩，而后成人。如此循环往复，生命得以延续。然而，一代又一代的生命体为何会从幼年期开始？

“每个世代都有幼年期，每个新生命诞生时就像是‘恢复出厂设置’一样，这就是跨代重置。”论文通讯作者王佳伟告诉《中国科学报》，在植物的世代交替中必须经历幼年期的重置过程。

已有研究表明，植物幼年期的跨代重置受损，将会导致后代过早开花和繁殖失败。然而，跨代重置是如何进行的？其背后的分子机制目前尚未得到充分解析。

小分子RNA（microRNA，简称MIR）作为基因表达调控的一种重要手段，在植物的生长发育中发挥着重要的调节作用。一直以来，王佳伟团队以“年龄”为关键词，从小分子RNA入手，研究植物的植物发育过程和生命周期。

2009年，王佳伟团队研究发现，MIR156及与之基因序列相近的MIR157是植物幼年态向成年态转变的主要调控因子，它们对于幼年期的维持是充分且必要的。

有趣的是，MIR156/7犹如一个“计时器”，随着植物生长而“倒计时”——它们的含量在植物幼苗中很高，随着植物年龄增长含量逐渐减少。这类基因的存在，也说明了在植物在整个发育周期中，成熟衰老，直至死亡的过程是不可逆的。

“MIR156/7在世代交替中必然经历了重置过程，综合研究MIR156/7的重激活机制，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。”王佳伟说。

“计时器”如何控制幼年期

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，该家族的全部12个成员均发生了表达重置，但不同的基因，选择重置的时间节点有所不同。

比如有的基因在生殖过程中重置，并在受精后重新激活；有的基因在胚胎发生过程中更早激活；还有的基因在胚胎发生过程中几乎没有踪迹，但在种子萌发后开启高度表达模式。

“这正是生命的神奇所在，家族成员多，且发展出不同多样化的重编程途径，相当于有很多‘替补’选手，保证了植物幼年期重置的稳健性，即使丢失一两个基因也依旧能稳定地从幼年期出发，而后发展壮大。”王佳伟表示。

为什么一定要有幼年期？事实上，幼年期阶段的存在，对于后代繁殖积累足够的物质和能量具有重要意义，且幼年期越长，对植物充分成长的帮助可能越大。

为了进一步探究MIR156/7家族的功能，从2014年开始，王佳伟团队的研究人员开始借助于CRISPR/Cas9技术，克服传统的T-DNA插入突变体对于非编码基因的局限性。经过3名博士研究生的努力，终于成功获得了MIR156/7各基因的完全敲除突变体，以及各种组合的多基因突变体。

研究发现，在这些突变体中，植物的幼年期出现不同程度的缩短。而在12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。也就是说，通过彻底去除miR156/7，研究人员创造了一个没有幼年期、在胚胎时期就开花的植物。

这进一步表明了，植物世代交替中MIR156/7家族表达重置及幼年期重置的重要性。