研究揭示植物幼年期跨代重置的稳健机制

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均具有关键意义。与动物不同，植物的生殖细胞或合子均源自成年期体细胞，因此在植物的世代交替中必须经历幼年期的重置过程，而具体的分子机制目前尚未得到充分解析。

此前研究发现，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，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的重激活将有利于进一步解析植物的幼年期重置乃至整个跨代重置的根本机制。

3月21日，《自然-植物》（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完成的题为A robust mechanism for resetting juvenility during each generation in Arabidopsis的研究论文，并在同期刊登研究简报（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。

科研人员利用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CRISPR/Cas9技术，研究克服了以往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、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。进一步，研究发现，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MIR156A/C在世代交替中的重置过程。植物春化途径的核心调控因子FLOWERING LOCUS C（FLC）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且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。这两者的异同将有助于科学家理解、探索植物的生命周期。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、中科院战略性先导科技专项和上海市“超级博士后”计划的支持。

论文链接

a、荧光显示MIR156C在胚胎中发生重置过程；b、mir156abc、mir156八基因突变体（mir156oct）和mir156/7 十二基因突变体（mir156/7duodec）植物出现严重的幼年期缩短表型；c、利用ATAC-seq等实验方法在MIR156A/C上游发现一段幼年期重置区域（JRR），LEC2结合JRR中的RY-motif发挥调控功能；d、拟南芥中MIR156/7 家族不同成员采用不同的机制完成跨代重置。