|
受精作用通過(guò)精卵細(xì)胞融合匯集并整合了父母親本遺傳物質(zhì)從而啟動(dòng)胚胎發(fā)生，產(chǎn)生新一代植物體。父母親本基因如何調(diào)控受精以及受精后的胚胎發(fā)育和器官建成是發(fā)育生物學(xué)的基本科學(xué)問(wèn)題，相關(guān)研究對(duì)解析植物發(fā)育調(diào)控機(jī)制、理解作物雜交育種分子機(jī)理至關(guān)重要，但迄今對(duì)此所知甚少。2024年8月28號(hào)，武漢大學(xué)孫蒙祥教授課題組在Nature在線發(fā)表了題為“Sperm-Origin Paternal Effects on Root Stem Cell Niche Differentiation”的研究論文，揭示了植物父本起源基因調(diào)控胚根干細(xì)胞發(fā)育的分子機(jī)制。與動(dòng)物不同的是，植物的精、卵細(xì)胞深埋在母體組織中，很難開展相關(guān)研究工作。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索，孫蒙祥課題組創(chuàng)建了一套獨(dú)特的卵細(xì)胞分離技術(shù)，并結(jié)合單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，結(jié)合精細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組；從中鑒定得到兩個(gè)在精細(xì)胞中特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄抑制因子TREE1和DAZ3。在該研究中，作者證實(shí)了TREE1和其同源基因DAZ3為父本起源基因。TREE1和DAZ3突變后，胚根原細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)發(fā)生改變，根干細(xì)胞龕分化異常。繼而根發(fā)育異常和根重建能力降低。作者發(fā)現(xiàn)受精后TREE1和DAZ3結(jié)合到卵細(xì)胞特異表達(dá)的母本起源基因RKD2的啟動(dòng)子上，抑制其在早期胚胎中表達(dá)，以確保胚根原細(xì)胞正常分裂，以及根干細(xì)胞龕的發(fā)育命運(yùn)正常確立。當(dāng)TREE1和DAZ3突變后，RKD2在早期胚胎中的抑制被解除，胚根原細(xì)胞和根干細(xì)胞龕的命運(yùn)隨之發(fā)生改變。由此，揭示了一條在受精過(guò)程中雌雄配子在分子層面上的具體互作途徑，并解析了該途徑靶向調(diào)控胚胎具體器官形成的分子機(jī)制。該研究厘清了幾個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題：1. 證實(shí)TREE1和DAZ3僅在精細(xì)胞中，而不在胚根原和根中表達(dá)，卻可以調(diào)控根的發(fā)育；揭示了胚后器官發(fā)生存在先天性調(diào)控機(jī)制。2. 揭示了受精作用的一個(gè)新的內(nèi)涵，即通過(guò)受精作用引入特定的父本基因抑制卵細(xì)胞內(nèi)的母本有害基因的表達(dá)，防止其對(duì)胚胎發(fā)育造成傷害，確保后代的正常發(fā)育。3. 精細(xì)胞的某種遺傳缺陷可特異致使根的發(fā)育異常。揭示了尚未引起關(guān)注的配子質(zhì)量在后代特定器官形成中的重要調(diào)控作用。武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后程天河為該論文第一作者，孫蒙祥教授為論文的通訊作者。武漢大學(xué)為唯一作者單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目，重點(diǎn)項(xiàng)目以及博士后面上項(xiàng)目的資助。據(jù)悉，孫蒙祥教授課題組近來(lái)已在父母親本起源基因功能研究領(lǐng)域取得一系列重要成果，先后在Nature雜志發(fā)表了題為“Fertilized egg cells secrete endopeptidases to avoid polytube”的研究論文，揭示了植物母本起源基因ECS1/2編碼天冬氨酸蛋白酶防止多精入卵的機(jī)制 (Yu et al., Nature, 2021)；在Nature plants雜志發(fā)表了題為“EGG CELL 1 contributes to egg-cell-dependent preferential fertilization in Arabidopsis”的研究論文，揭示了在雙受精中，母本起源基因EC1是卵細(xì)胞優(yōu)先于中央細(xì)胞受精的調(diào)控因子(Wang et al., Nature plants, 2023)；在Molecular Plant雜志發(fā)表了題為“A female in vivo haploid-induction system via mutagenesis of egg cell-specific peptidases”的研究論文，證實(shí)母本起源基因ECS1/2的突變可作為母本誘導(dǎo)系創(chuàng)制單倍體育種材料 (Zhang et al., Molecular Plant, 2023)；在PNAS雜志發(fā)表了題為“DMP8 and 9 regulate HAP2/GCS1 trafficking for the timely acquisition of sperm fusion competence”的研究論文，揭示了父本起源基因DMP8/9響應(yīng)卵細(xì)胞信號(hào)，作為精細(xì)胞激活的一個(gè)指征，并促進(jìn)精卵融合 (Wang et al., PNAS, 2022)等。這些工作無(wú)疑明顯深化了對(duì)于受精作用與其調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)。https://www./articles/s41586-024-07885-0
|
