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在武漢大學(xué)，有一位醉心于侍弄花花草草的教授。珞珈山上的一處溫室里，密密麻麻地?cái)[放著他的一盆盆寶貝疙瘩——水稻、擬南芥、煙草、藍(lán)豬耳等不同植物“群英會”般聚集在一起，搖曳多姿、生機(jī)勃勃。
過去的20多年里，武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授孫蒙祥一直帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)默默進(jìn)行著植物發(fā)育生物學(xué)方面的研究。那一盆盆花花草草，就是他視若珍寶的實(shí)驗(yàn)材料。要問這些年里，孫蒙祥到底栽培了多少花草，他和團(tuán)隊(duì)成員粗略一統(tǒng)計(jì)，說出一個(gè)保守?cái)?shù)字——100萬株。
孫蒙祥教授（右二）和學(xué)生在一起。武漢大學(xué)供圖
正是憑借這上百萬株植物，該團(tuán)隊(duì)取得一系列植物發(fā)育生物學(xué)方面的重要研究成果。不久前，Nature在線發(fā)表了他們的一篇相關(guān)研究論文，破解了自“先天性缺陷”概念提出以來，困擾科學(xué)家們長達(dá)百年的一個(gè)難題：父母親本基因是如何調(diào)控受精以及受精后的胚胎發(fā)育和器官建成的？
努力揭開微觀世界的奧秘
在植物的生命旅程中，授粉、受精是非常重要的環(huán)節(jié)。受精作用通過精卵細(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、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)問題，相關(guān)研究對于解析植物發(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。但迄今為止，科學(xué)界對此所知甚少。
孫蒙祥團(tuán)隊(duì)的研究聚焦于植物受精過程中父本基因的作用。這項(xiàng)研究的一個(gè)顯著技術(shù)障礙就在于卵細(xì)胞的獲取——植物卵細(xì)胞很小，約為頭發(fā)絲的四分之一大小，并且深埋在各種植物組織中，在顯微鏡下無色透明，難以觀測。研究人員往往需要把卵細(xì)胞分離出來做實(shí)驗(yàn)，但這并不容易。
為此，他們最早選擇了一種特殊的植物——藍(lán)豬耳，因?yàn)槠渎鸭?xì)胞所在的胚囊半裸露在外，便于分離。由此開始，他們經(jīng)過十余年的努力，逐漸克服了一道道難關(guān)，建立了一整套在擬南芥、水稻等模式植物中成功地分離、收集卵細(xì)胞的技術(shù)，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。
在傳統(tǒng)的認(rèn)知中，人們認(rèn)為在多細(xì)胞胚胎形成后，父本基因才開始表達(dá)。但該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，父本基因在受精卵細(xì)胞中就開始表達(dá)了，而非等到胚胎發(fā)生時(shí)才發(fā)揮作用。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知，提出了父母親本基因表達(dá)的新觀點(diǎn)。
最近，該團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)一個(gè)名為“TREE1”的父本起源基因。它在受精卵中表現(xiàn)出活躍狀態(tài)，能有效抑制母本有害基因的表達(dá)，以確保胚胎發(fā)育正常，從而以確鑿的證據(jù)揭示了父本基因在胚胎發(fā)生中的重要作用。
“父本基因和母本基因究竟怎么相互作用？為什么要相互作用？相互作用的結(jié)果是什么？我們的工作提供了一個(gè)具體、可信的例子，并且說清楚了相互作用的途徑與效應(yīng)。”孫蒙祥告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
該團(tuán)隊(duì)的研究不僅揭示了父本基因的獨(dú)特作用，還發(fā)現(xiàn)了父本基因與母本基因之間復(fù)雜的相互作用。例如，精細(xì)胞進(jìn)入卵細(xì)胞后不僅會激活某些啟動胚胎發(fā)生的基因表達(dá)，也會抑制卵細(xì)胞內(nèi)某些有害基因的表達(dá)，從而確保胚胎正常發(fā)育。兩個(gè)方面缺一不可。這一發(fā)現(xiàn)為理解植物發(fā)育過程中的遺傳調(diào)控機(jī)制提供了重要線索。
根子問題可能不在根上
“根部發(fā)育不良，問題可能不在根部本身?！睂O蒙祥團(tuán)隊(duì)通過對擬南芥進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)精細(xì)胞中存在的“TREE1”基因可以調(diào)控后代根系發(fā)育。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在通過基因編輯敲除該基因后，精細(xì)胞發(fā)育并沒有明顯的缺陷，可以與正常的母本卵細(xì)胞完成正常受精，但繁育出的后代植物，根部出現(xiàn)了生長畸形、發(fā)育不良等情況。
“以往如果植物根部發(fā)育不良，大家就認(rèn)為是根部的基因表達(dá)問題；葉片發(fā)育不良，就認(rèn)為是葉片的基因表達(dá)問題。事實(shí)可能并非如此。”孫蒙祥告訴《中國科學(xué)報(bào)》。該團(tuán)隊(duì)的研究成果提供了一個(gè)新的考量因子，就是植物根部還未發(fā)育、或還處于精細(xì)胞階段時(shí)，就有了遺傳缺陷，由此導(dǎo)致了后來根部的發(fā)育不良。
在動物和人類生殖生物學(xué)領(lǐng)域，先天性缺陷的概念是由科學(xué)家加羅德于1902年首次提出的，對先天缺陷的研究至今已有100多年，但仍有很多難題亟待破解。比如，此項(xiàng)研究中，孫蒙祥團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)精細(xì)胞的某些遺傳缺陷可以定向調(diào)控后代特定器官的發(fā)育，即器官發(fā)育存在先天性調(diào)控機(jī)制。這是前人在植物發(fā)育研究中一直沒有關(guān)注的領(lǐng)域。
這些重要發(fā)現(xiàn)，不僅破解了“先天性缺陷”概念提出100多年來，始終困擾著科學(xué)家的一些基礎(chǔ)問題，而且提示了研究者在雜交育種時(shí)，不僅要關(guān)注父母親本基因在器官發(fā)育中的表現(xiàn)，還要留意其先天性的遺傳缺陷。
有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這項(xiàng)研究不僅推動了植物生物學(xué)的發(fā)展，而且為未來的農(nóng)業(yè)育種及基因工程提供了一個(gè)新的方向。
科研從種植花草開始
植物生長周期較長，就算是較為方便常用的模式植物擬南芥，也需要兩個(gè)多月才能收到種子。因此，要確定父本起源基因以及這個(gè)基因在什么地方起作用，很費(fèi)功夫。從剛開始的基因編輯到拿到純和的基因突變體植株，再到確定該基因的具體作用，甚至要花一兩年的時(shí)間。
盡管周期漫長，孫蒙祥卻一直堅(jiān)持讓學(xué)生從最基本的種植材料開始，強(qiáng)調(diào)動手能力和責(zé)任心的重要性。他告訴學(xué)生：“有材料才有工作，沒有材料啥都沒有。”在他看來，悉心守護(hù)科研材料、全周期地認(rèn)真觀察它們是科研人員必須具備的基本功。
過去的20多年里，孫蒙祥像個(gè)花匠一樣，帶領(lǐng)一撥撥年輕人在校園一角的溫室里，悉心照料著每一株植物——超過100萬株植物，從種子萌發(fā)到授粉受精，到開花結(jié)果，每一步他們都詳細(xì)記錄。
年復(fù)一年、日復(fù)一日的積累，加之對每一個(gè)發(fā)育細(xì)節(jié)一絲不茍、細(xì)致認(rèn)真的觀察，使得該團(tuán)隊(duì)以受精卵及其分裂后產(chǎn)生的各時(shí)期胚胎材料為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)完整的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫——此舉填補(bǔ)了這一研究領(lǐng)域的國際空白。
相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07885-0
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-9789-0.html栽培100萬株花草后，武大教授破解百年難題
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