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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，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。 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在Science發(fā)表了題為Cysteine-rich peptides promote interspecific genetic isolation in Arabidopsis 的研究長(zhǎng)文（article），報(bào)道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，并揭示了該信號(hào)通路調(diào)控花粉管導(dǎo)向，促進(jìn)種間遺傳隔離的分子機(jī)制。 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（含有精子細(xì)胞）。但有意思的是，無論是小肽信號(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)的受精過程，并產(chǎn)生正常的種子。這一現(xiàn)象引起研究人員的注意，并重新思考AtLURE1介導(dǎo)的花粉管導(dǎo)向的生物學(xué)功能。 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，隨后利用CRISPR/Cas9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？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。 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。瞿禮嘉課題組把這四個(gè)沒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)控有花植物受精過程的作用模型。 1. 擬南芥AtLURE1s-PRK6小肽受體信號(hào)通路通過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)向過程。 據(jù)悉，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，實(shí)驗(yàn)室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。 值得一提的是，2017年12月，瞿禮嘉課題組在Science上發(fā)表了一篇題為Arabidopsis pollen tube integrity and sperm release are regulated by RALF-mediated signaling的研究論文。該研究首次找到了擬南芥有性生殖過程中參與控制花粉管細(xì)胞完整性與精細(xì)胞釋放的信號(hào)分子及其受體復(fù)合體，并揭示了該過程的分子調(diào)控機(jī)制。該研究發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)花粉管質(zhì)膜上的受體被命名為BUPS1和BUPS2，即Buddha’s Paper Seal, 如來佛祖的金字壓帖，該命名源自《西游記》中的典故（相關(guān)報(bào)道請(qǐng)點(diǎn)擊查看：Science: 瞿禮嘉團(tuán)隊(duì)揭示植物中調(diào)控花粉管細(xì)胞完整性與精細(xì)胞釋放的分子機(jī)制） 在這兩項(xiàng)研究中，基因的命名把中國(guó)文化因素融入進(jìn)去，識(shí)別度高、可讀性強(qiáng)、寓意好。除了XIUQIU和BUPS，2017年1月瞿禮嘉課題組在PLoS Genetics上發(fā)表了一篇論文，該研究發(fā)現(xiàn)并鑒定了一個(gè)新的植物印記基因，命名為“NUWA”（“女媧”），NUWA是一個(gè)擬南芥的必需基因，其功能的缺失導(dǎo)致雌配子體傳遞率下降，且早期胚胎和胚乳中出現(xiàn)細(xì)胞/核增殖缺陷，并最終導(dǎo)致種子敗育。這種文化與科學(xué)相融合的基因命名非常有意思，看了后印象深刻，希望以后能看到更多類似的基因名。 論文鏈接： https://science./content/364/6443/eaau9564 |
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