2019年5月31日,北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心瞿禮嘉教授課題組的研究論文“Cysteine-rich peptides promote interspecific genetic isolation in Arabidopsis”以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表在國(guó)際著名期刊Science上,該論文揭示了被子植物擬南芥中的一種由小肽信號(hào)介導(dǎo)的信號(hào)通路,該信號(hào)通路通過(guò)調(diào)控花粉管導(dǎo)向,促進(jìn)種間遺傳隔離的分子機(jī)制。
物種之間的遺傳隔離是維持一個(gè)物種不與其他物種混雜的關(guān)鍵,有多種因素可以導(dǎo)致物種間的遺傳隔離。160年前,英國(guó)博物學(xué)家達(dá)爾文在其著名的《物種起源》中說(shuō),他親自用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種植物的花粉在與其他物種花粉的競(jìng)爭(zhēng)中“勝出”的現(xiàn)象(后來(lái)稱為“同種花粉優(yōu)先”現(xiàn)象),認(rèn)為這種現(xiàn)象非常重要,可造成不同物種之間的遺傳隔離。人們?cè)趧?dòng)物中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,稱為“同種精子優(yōu)先”,這種現(xiàn)象保證了一個(gè)物種的精子被相同物種、而不是其他物種的卵子細(xì)胞所吸引,進(jìn)而完成后續(xù)的融合(受精),維護(hù)了物種的純系遺傳。然而,在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)中,人們對(duì)這種現(xiàn)象的分子機(jī)制仍然知之甚少。
前人的研究表明,有花植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)雌性生殖器官中助細(xì)胞分泌的一類小肽信號(hào)(AtLURE1s)的5個(gè)成員可以特異地吸引該物種的雄性細(xì)胞花粉管(其中含有精子細(xì)胞)。但有意思的是,無(wú)論是小肽信號(hào)AtLURE1,還是感受該信號(hào)的受體,在失去功能后植物都能順利完成花粉管吸引和后續(xù)的受精過(guò)程,并產(chǎn)生正常的種子。這一現(xiàn)象激發(fā)研究者重新思考AtLURE1介導(dǎo)的花粉管導(dǎo)向的生物學(xué)功能。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院瞿禮嘉課題組先發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)與上述5個(gè)成員具有相同功能的AtLURE1s成員,隨后他們利用CRISPR/Cas9基因敲除技術(shù)獲得了AtLURE1家族全體成員均被敲除的突變體(atlure1),發(fā)現(xiàn)突變體植株仍然可以正常產(chǎn)生種子。這一結(jié)果表明,具有物種特異性花粉管吸引活性的小肽AtLURE1s并不是完成花粉管導(dǎo)向和后續(xù)受精過(guò)程所必需的。那么AtLURE1s這些擬南芥特異的小肽信號(hào)的生物學(xué)功能又是什么呢?他們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),若將擬南芥的花粉與另一種與擬南芥親緣關(guān)系很近的物種琴葉擬南芥(A. lyrata)的花粉一起共同授于擬南芥的柱頭上,在AtLURE1信號(hào)正常的植物中,擬南芥的花粉管被優(yōu)先吸引,競(jìng)爭(zhēng)性明顯;而在缺失了AtLURE1信號(hào)的atlure1突變體植株中,擬南芥的花粉管被優(yōu)先吸引的能力就顯著降低。上述研究表明,AtLURE1s并不是擬南芥雌性器官分泌的吸引雄方花粉管的唯一信號(hào),而是一類通過(guò)增加自身花粉管競(jìng)爭(zhēng)能力、促進(jìn)與親緣關(guān)系相近物種產(chǎn)生遺傳隔離的信號(hào)(見(jiàn)附圖);該研究結(jié)果賦予了AtLURE1新的生物學(xué)功能,在分子層面上為達(dá)爾文在160年前用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的“同種花粉優(yōu)先”現(xiàn)象提供了機(jī)制性解釋。
擬南芥AtLURE1s-PRK6小肽受體信號(hào)通路通過(guò)特異吸引自身花粉管穿出隔膜的作用,促進(jìn)A. thaliana與近緣種A. lyrata的遺傳隔離。2. 物種特異的吸引花粉管的小肽AtLURE1s與非物種特異的吸引花粉管的小肽XIUQIUs共同調(diào)控花粉管的導(dǎo)向過(guò)程。
有意思的是,瞿禮嘉課題組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),擬南芥的雌性器官還可以分泌四個(gè)沒(méi)有物種特異性的吸引花粉管的小肽信號(hào),這幾個(gè)小肽信號(hào)不僅可以吸引擬南芥的花粉管,還可以吸引其他近緣種如琴葉擬南芥和哈勒氏擬南芥(A. halleri)的花粉管;他們把這四個(gè)沒(méi)有物種特異性的小肽命名為XIUQIU(為“繡球”的漢語(yǔ)拼音,取自中國(guó)古代待嫁女子拋繡球選丈夫的典故)。這也解釋了為什么在所有AtLURE1s基因被突變后,擬南芥的花粉管仍然能夠找到胚珠、完成受精并產(chǎn)生種子。“繡球”小肽信號(hào)的發(fā)現(xiàn)極大地完善了小肽信號(hào)調(diào)控有花植物受精過(guò)程的作用模型。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院瞿禮嘉教授為該論文的通訊作者,他實(shí)驗(yàn)室的助理研究員鐘聲博士、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生柳美玲和王志娟為該論文的共同第一作者;中國(guó)科學(xué)院植物研究所郭亞龍研究員、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院劉培教授、德國(guó)雷根斯堡大學(xué)Thomas Dresselhaus教授、美國(guó)Rutgers大學(xué)董娟博士、北京大學(xué)生命科學(xué)院肖俊宇研究員和顧紅雅教授等也參與了其中部分工作。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和北大-清華聯(lián)合生命中心的資助。
原文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/364/6443/eaau9564
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