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科学家新发现为达尔文“同种花粉优先”提供解

更新时间:2019-09-13

本报北京5月31日电(记者晋浩天)北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心教授瞿礼嘉课题组31日在《科学》杂志在线发表题为《富含半胱氨酸小肽信号促进拟南芥的种间遗传隔离》的研究长文。这篇论文揭示了植物内部和种间生殖隔离屏障的分子信号传导机制。该研究有利于未来的育种工作,同时可以通过向作物植物添加期望的农艺性状来增加基因库。

据介绍,物种之间的遗传隔离是维持一个物种不与其他物种混杂的关键,有多种因素可以导致物种间的遗传隔离。160年前,达尔文在其著名的《物种起源》中说,他亲自用实验验证了一种植物的花粉在与其他物种花粉的竞争中“胜出”的现象,认为这种现象非常重要,可造成不同物种之间的遗传隔离。人们在动物中也发现了类似的现象,称为“同种精子优先”,这种现象保证了一个物种的精子被相同物种、而不是其他物种的卵子细胞所吸引,进而完成后续的融合(受精),维护了物种的纯系遗传。但在过去一个多世纪中,人们对这种现象的分子机制仍然知之甚少。

前人的研究表明,有花植物拟南芥雌性生殖器官中助细胞分泌的一类小肽信号(AtLURE1s)的5个成员,可以特异地吸引该物种的雄性细胞花粉管(其中含有精子细胞)。但有意思的是,无论是小肽信号AtLURE1,还是感受该信号的受体,在失去功能后植物都能顺利完成花粉管吸引和后续的受精过程,并产生正常种子。这一现象激发研究者重新思考AtLURE1介导的花粉管导向生物学功能。

北京大学生命科学学院瞿礼嘉课题组先发现了两个与上述5个成员具有相同功能的AtLURE1s成员,随后他们利用CRISPR/Cas9基因敲除技术获得了AtLURE1家族全体成员均被敲除的突变体(atlure1),发现突变体植株仍然可以正常产生种子。这一结果表明,具有物种特异性花粉管吸引活性的小肽AtLURE1s并不是完成花粉管导向和后续受精过程所必需的。那么,AtLURE1s这些拟南芥特异的小肽信号的生物学功能又是什么呢?他们进一步研究发现,若将拟南芥的花粉与另一种与拟南芥亲缘关系很近的物种琴叶拟南芥的花粉一起共同授于拟南芥的柱头上,在AtLURE1信号正常的植物中,拟南芥的花粉管被优先吸引,竞争性明显;而在缺失了AtLURE1信号的atlure1突变体植株中,拟南芥的花粉管被优先吸引的能力就显著降低。上述研究表明,AtLURE1s并不是拟南芥雌性器官分泌的吸引雄方花粉管的唯一信号,而是一类通过增加自身花粉管竞争能力、促进与亲缘关系相近物种产生遗传隔离的信号;该研究结果赋予了AtLURE1新的生物学功能,在分子层面上为达尔文在160年前用实验验证了的“同种花粉优先”现象提供了机制性解释。

有意思的是,瞿礼嘉课题组进一步发现,拟南芥的雌性器官还可以分泌四个没有物种特异性的吸引花粉管的小肽信号,这几个小肽信号不仅可以吸引拟南芥的花粉管,还可以吸引其他近缘种如琴叶拟南芥和哈勒氏拟南芥的花粉管;他们把这四个没有物种特异性的小肽命名为XIUQIU(为“绣球”的汉语拼音,取自中国古代待嫁女子抛绣球选丈夫的典故)。这也解释了为什么在所有AtLURE1s基因被突变后,拟南芥的花粉管仍然能够找到胚珠、完成受精并产生种子。“绣球”小肽信号的发现极大地完善了小肽信号调控有花植物受精过程的作用模型。

《科学》审稿意见指出,作者得出的结论将对相关研究领域产生深远的影响,也意味着2009年以后出版和发表的几乎所有教科书与综述中的相关内容都可能要重写。同时,一个令人激动的观点是,一个超越物种障碍的花粉管吸引物质(XIUQIU)与在生殖隔离中发挥作用的小肽(AtLURE1s)同时存在,这个观点将影响到植物生物学的基础理论和园艺/农业的实践应用。

据悉,北京大学生命科学学院教授瞿礼嘉为该论文的通讯作者,其实验室助理研究员钟声、北京大学生命科学学院博士研究生柳美玲和王志娟为该论文的共同第一作者;中国科学院植物研究所研究员郭亚龙、中国农业大学资源与环境学院教授刘培、北京大学生命科学院研究员肖俊宇和教授顾红雅等也参与了其中部分工作。该研究工作得到了国家自然科学基金和北大-清华联合生命中心的资助。

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.aau9564

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