遗传发育所等发现小肽补偿效应实现干细胞发育稳健性的动态演化规律

作物驯化主要针对某一种植物进行人工选择、改良和提高，以培育更符合人类需求的新品种；物种演化则通过驱动某一个类群或一个系统的形态或性状的动态变化产生新的物种，解析和利用植物进化发育演化规律有望创造全新作物。茎尖分生组织干细胞是植物地上部分形态建成和作物产量性状形成的核心，也是逆境胁迫改变作物性状的策源地，但是，人们对于植物如何实现茎尖干细胞发育稳健性及其动态演化规律缺乏认识。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员许操团队与美国冷泉港实验室教授Zachary Lippman团队合作在Nature Plants上发表了题为Dynamic evolution of small signaling peptide compensation in plant stem cell control的研究论文，该研究揭示了小肽信号功能补偿效应维持茄科不同经济作物茎尖干细胞发育稳健性的动态演化规律，为作物株型、果实产量和产品外观等重要农艺性状的分子设计提供了新思路。

植物茎尖干细胞的增殖由CLE基因家族的“明星”小肽CLV3控制，它通过结合LRR类细胞膜表面受体CLV1将信号传递到胞内，抑制干细胞增殖因子WUS的表达，并与之形成负反馈环路决定茎尖干细胞的增殖，这是一条发现于模式植物拟南芥的经典分子途径。2015年，许操在研究CLV3小肽的化学生物学修饰机制时发现CLV3是番茄果实从小到大驯化选择的关键基因，且在提高作物产量方面具有巨大应用潜力，自此拉开了该小肽基因在不同作物分子育种中广泛应用的序幕。其中在2019年的研究中，许操等研究人员发现“明星”小肽CLV3突变后，其同家族“备胎”基因CLE9发生剧烈的转录上调，补偿CLV3的功能缺失，以保障番茄茎尖干细胞发育稳健性。一旦“明星”小肽CLV3和“备胎”小肽CLE9同时突变，番茄将丧失发育稳健性，无法完成生命周期。比较基因组学分析表明，这种小肽介导的应激性转录补偿机制在茄科植物中可能存在“获得-丢失”的动态演化过程，系统解析这一过程对理解茄科重要经济作物的园艺性状建成并指导分子设计育种意义重大。

为此，研究团队分别选取茄科果蔬作物番茄、经济作物烟草、花卉作物矮牵牛和新派果蔬菇娘果等代表植物，运用比较基因组学、比较转录组学和基因编辑技术等方法对该补偿机制的演化规律进行系统研究。研究表明，CLV3-CLE9起源于3000万年前茄科植物特有的基因重复事件，CLE9经历了保留、重复和丢失的历史动态，番茄、野生番茄、菇娘果和矮牵牛中保留了具备逆袭能力的“备胎”基因CLE9，在辣椒中只保留了部分编码序列，演化为一个假基因，而在烟草、马铃薯和茄子中则完全丢失。在番茄、矮牵牛和菇娘果等作物中，尽管CLV3小肽高度保守，但其功能丧失型突变体的表型却具有很大差异。其中番茄CLV3突变体表型异常剧烈，呈现明显的果实变大和花器官簇化表型，而矮牵牛和菇娘果的表型却非常微弱，说明三者的“备胎”基因CLE9的逆袭能力不同。进一步研究发现，这种不同由两个因素决定，一方面，不同物种的CLE9启动子区顺式调控元件不同，其应激性上调表达的程度因此不同（量的不同）；另一方面，不同物种CLE9的成熟肽（由12个氨基酸残基组成）的第六位氨基酸存在甘氨酸到丝氨酸的变异（质的不同），第六位的甘氨酸使得CLE9与CLV1受体的结合更为紧密，增强了补偿效果。烟草作为丢失CLE9的茄科代表植物，则通过基因组加倍产生的大量的CLV3基因拷贝“以量取胜”，以被动补偿的方式实现发育稳健性。该研究提出了功能补偿机制维持植物干细胞发育稳健性的演化模型和变异理论，为不同作物的精准分子育种奠定理论基础。

该研究阐明了随着遗传变异的积累旁系同源基因之间补偿能力由量变到质变的演化历程，揭示了小肽功能补偿机制的变异导致植物形态多样化的分子机制，为多维组学和基因编辑时代的进化发育生物学研究提供了范例。重要的是，该研究一次性创制了多种园艺性状，比如果实大小、花卉的观赏性、生物量等，为分子设计育种提供了新的基因模块和设计思路。

该研究得到国家自然科学基金委、中科院和遗传发育所植物基因组学国家重点实验室的支持。