“改变世界”的植物——拟南芥Arabidopsis

“改变世界”的植物——拟南芥Arabidopsis

在1905年的德国，植物学专业的20岁学生Friedrich Laibach在家乡林堡附近的兰河岸边采下了一株小草，保存在乙酸溶液中。回到波恩大学的实验室后，Laibach将这株植物的细胞染色并在显微镜下观察，发现细胞中只有5条染色体，这是一项令人兴奋的发现，因为当时科学界所熟知的染色体数为奇数时的最小数目即为5条。这株植物就是拟南芥（Arabidopsis thaliana），尽管Laibach收集这株植物的地点在20世纪30年代被高速公路覆盖，如今已无迹可寻，但这一物种从那时起便成为了生物学研究中最重要的工具之一。

如今，拟南芥早已成为用于基础功能研究的模式生物，并且在未来应用于更广泛的领域。拟南芥具有染色体数目少、植株小、生命周期短、结子多等特点，此外它还是第一个基因组被完整测序的植物，历时7年花费7000万美元的拟南芥基因组计划（AGI，Arabidopsis Genome Initiative）由来自欧洲、日本和美国的研究人员合作完成 [1]，此时距离1753年Carl Linnaeus为纪念首次描述这一植物的德国植物学家Johannes Thal将其命名为Arabis thaliana已过去240年，而距离1943年Elliot Meyerowitz首次发现其具有作为模式生物的潜能仅过去50年 [2]。

Arabidopsis thaliana

(source: Arabidopsis thaliana - Alchetron, The Free Social Encyclopedia)

Salk Institute的Joanne Chory和Joseph Ecker在拟南芥基因组计划在美国启动的过程中做出了重要贡献，“在90年代初，针对酵母、果蝇、蠕虫和鼠等全部模式生物，都如火如荼地开展着全基因组测序”Ecker表示，“所以当时对拟南芥进行研究的人们发出了这样的疑问，我们要让其他物种的测序工作领先于拟南芥吗？如果在其他模式生物中开发出了更好的研究工具，是否还有人愿意在植物上继续研究工作？” Chory于1989年发表的研究论文中报道了一种可以在黑暗中生长的拟南芥突变体DET1，这项研究的独特之处在于将基因技术应用于探究植物生理学问题，揭示了植物感光的复杂途径 [3]。这项在植物学领域产生了重大影响的研究由于缺少完整的序列以及基因识别与克隆工具的局限性，在当时的开展是相当困难的。

随着拟南芥基因组的解析，Chory得以将DET1基因定位于4号染色体，进而在1994年完成了基因组序列和具体位置的确定 [4]。在某种程度上，这一工作涉及到在DNA片段库中寻找与最近标记相重叠的片段，通过被称为“染色体步移（chromosome walking）” 的反复搜索过程，最终找到感兴趣的基因。AGI使研究人员在拟南芥基因组中定位基因变得更容易，例如，他们可以通过搜索基因的DNA序列，或检验其他植物中已知的序列是否存在于拟南芥基因组中。更重要的是，通过遗传转化的方法进行未知基因的鉴定成为了可能，研究人员发展了T-DNA插入的方法，定位并测序相应区域以进行基因识别，目前研究人员利用数十万个插入株系成功识别了约28000个基因。由Ecker等构建的“Salk lines”是最知名的拟南芥T-DNA插入突变体库 [5]，截至目前该数据库已被访问超过1100万次，并向全球拟南芥研究者提供突变体。

Joanne Chory

Joseph Ecker

受限于当时的测序技术更适用于短而可变的序列，AGI并未完成拟南芥整个基因组的组装，着丝粒（centromere）就是被遗留下来的未测序和组装区域，Salk Institute的Todd Michael参与完成了这一包含较多长而重复片段部分的测序和组装 [6]。作为一名基因组测序、组装和分析方面的专家，Michael从拟南芥的研究开始逐步拓展至其他物种，2015年他首次报道了耐旱草类Oropetium thomaeum的近完整基因组，揭示了完整的着丝粒结构 [7]，最近他的实验室还完成了水生植物浮萍（Wolffia）的基因组测序，这一具有独特光合作用方式的水生生物，是目前已知的世界上生长最快的植物 [8]。

此外，Michael还参与了高粱（sorghum）的测序和泛基因组研究，作为世界五大谷类植物之一，高粱具有良好的抗旱特性，在贫瘠的土地上也能够较好地生长，因此在全球变暖下具有重要的农业价值。尽管高粱的基因组已在十年前完成测序，但研究人员希望通过对更多的培育品系和野生亲缘株系进行测序，希望培育出新的抗病、耐旱和高产品种。Michael致力于对结构和功能独特的植物进行测序的目的是揭示基因组差异如何使植物更好地响应和利用它们所处的环境，这些知识对Harnessing Plants Initiative（HPI）至关重要，Salk Institute旨在通过这一计划开发农作物与湿地植捕获并储存大气CO2的能力，以探索缓解气候变暖的方法。

Salk Institute的Wolfgang Busch与Chory是HPI项目的共同负责人，他致力于通过全基因组关联分析（GWAS）探究与植物不同株系特征相关的基因和机制。其中一项研究中，Busch利用遗传学、基因组学、计算生物学以及分子细胞生物学相结合的方法，确定了植物的基因蓝图中如何编码根的特异性状。经过多年的研究，Busch鉴别了大量基因，其中包括一个可以调控植物根系更深的基因 [9]，具有这一基因的作物可以借助更多而深的根系储存更多的CO2，Busch目前正在温室和多个试验田中开展实验以推进这一成果的应用。

Salk Institute的研究人员同样关注表观遗传影响植物表型的相关机制，Julie Law的研究不仅是HPI计划的重要组成部分，还与人类健康和疾病的研究存在一定相关性，因为相同的表观遗传过程不但发生在植物细胞中，在心脏、肝脏和皮肤等人体细胞中也同样存在相同的基因，但由于它们参与激活的基因不同，而在功能上存在差异。Law发表的一项研究，对拟南芥CLSY家族如何在植物发育期间调控DNA甲基化进行了探究，研究发现在不同的植物组织中，不同的CLSY家族首先靶向DNA甲基化位置，这造成了不同组织中DNA甲基化模式的差异 [10]。考虑到DNA甲基化在调控基因表达过程中的重要性，这些发现可能有助于从提高作物产量到人类精准医疗等多方面的进步。

Chory和Ecker在2021年发表的一项研究则揭示了另一种表观遗传机制，表明邻近的植物所产生的遮光效果会使植物生长得更高。研究发现缺失PIFs转录因子的拟南芥突变体在模拟遮光实验中表现为伸长和快速生长的停止，进一步研究表明PIF7蛋白在遮光开始5分钟内被激活，并将表观停止信号H2A.Z移除 [11]。随着生长的“基因刹车”被松开，遮蔽下的植物得以更快地生长。Chory表示，“这项研究展示了植物如何在细胞水平上响应环境的微妙变化，随着植物自身对全球气候变化的适应，这类反应将越来越多地发生”。

Joseph Noel的研究兴趣则集中在探究植物对地球环境中各类生态系统的适应，运用生物化学手段解析由不同植物生产的化合物的结构和化学性质。例如，Noel对富碳分子软木脂（suberin）进行了分析，这种分子能够保护之物免受干旱、洪水、病害和高盐等环境胁迫的影响。这项研究旨在开发湿地植物，以达到更好的储碳、净水和土地保护效果，并且能在各种具有挑战性的环境中生长。“人们还未真正意识到湿地在环境变化中的重要性”Noel表示，“每英亩湿地植物吸收的碳是旱地植物的100倍，所以HPI计划的一个重要部分是湿地植物的基因组，为日益迫切的湿地恢复工作提供依据。”

Harnessing Plants Initiative旨在利用地球上植物根系和湿地的储碳机制，来帮助缓解气候变化。Salk Institute的植物生物学家正致力于作物的改良，以吸收大气中过剩的CO­2并将其储存在土壤中，利用根系强大的储碳能力将碳封存。自2000年第一个拟南芥基因组发表以来，测序技术得到了极大发展，国际合作项目AGI历时7年，耗资7000万美元。如今，Ecker通过办公室内一台打印机大小的机器在3分钟内便可完成对拟南芥基因组的测序，成本约为16美元。Salk Institute的研究人员正致力于通过自己的努力，为缓解气候变化所带来的全球环境问题提供解决方案。

原文链接：https://inside.salk.edu/spring-2022/the-weed-that-changed-the-world/

Reference

[1] The Arabidopsis Genome Initiative. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature 408, 796–815 (2000).

[2] Meyerowitz, E. Prehistory and History of Arabidopsis Research. Plant Physiology 125, 15-19 (2001).

[3] Chory, J., et al. Arabidopsis thaliana mutant that develops as a light-grown plant in the absence of light. Cell 58, 991-999 (1989).

[4] Pepper, A., et al. DET1, a negative regulator of light-mediated development and gene expression in Arabidopsis, encodes a novel nuclear-localized protein. Cell 78, 109-116 (1994).

[5] O Malley, R.C., et al. A user s guide to the Arabidopsis T-DNA insertion mutant collections. Methods in Molecular Biology 1284, 323-342 (2015).

[6] Naish, M., et al. The genetic and epigenetic landscape of the centromeres. Science 374，eabi7489 (2021).

[7] VanBuren, R., et al. Single-molecule sequencing of the desiccation-tolerant grass Oropetium thomaeum. Nature 527, 508-511 (2015).

[8] Hoang, P.N.T., et al. Generating a high-confidence reference genome map of the Greater Duckweed by integration of cytogenomic, optical mapping, and Oxford Nanopore technologies. Plant Journal 96, 670-684 (2018).

[9] Ogura, T., et al. Root System Depth in Arabidopsis Is Shaped by EXOCYST70A3 via the Dynamic Modulation of Auxin Transport. Cell 178, 400-412 (2019).

[10] Zhou, M., et al. Locus-specific control of the de novo DNA methylation pathway in Arabidopsis by the CLASSY family. Nature Genetics 50, 865-873 (2018).

[11] Willige, B.C., et al. PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs trigger environmentally responsive chromatin dynamics in plants. Nature Genetics 53, 955-961 (2021).

来源：Mol Plant植物科学