李天来、张宪省点评 | 中科院遗传发育所许操领衔发现活性氧激发蛋白质相分离控制植物干细胞命运

编者按

活性氧（ROS）是生物体内的一把“双刃剑”。一方面，ROS的过量积累会对生物大分子造成氧化损伤；另一方面，ROS可作为信号分子在植物的生长发育和胁迫响应中发挥重要作用。近年来的研究发现，ROS在植物干细胞活性调控中也起作用，但是有关的分子机制并不清楚。 2021年2月25号，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组与清华大学李丕龙研究组合作在Nature Chemical Biology发表了题为ROS regulated reversible protein phase separation synchronizes plant flowering的研究论文，揭示了活性氧（ROS）激发蛋白质相分离控制干细胞命运和植物开花的新机制。该研究首次将活性氧信号、蛋白质相分离和干细胞命运决定三个重要的生物学现象和科学问题建立了分子联系，并阐明了机制，为该领域的突破性进展。值得一提的是，该文是首次以作物为研究模式报道蛋白质相分离机制的研究论文。鉴于该研究的意义，中国工程院院士、沈阳农业大学李天来教授，山东农业大学校长张宪省教授对该工作行了点评，以飨读者！

专家点评

李天来中国工程院院士（沈阳农业大学）

番茄是世界生产面积最大的蔬菜作物，我国是世界第一番茄生产大国，2019 年种植面积约 110 万hm2 ，生产总量约 5700 万 t，年产值约 1870 亿元，出口量占全球 1/3。番茄不仅是老百姓餐桌喜闻乐见的健康蔬菜，而且在我国乡村振兴、精准扶贫以及农民增收等方面发挥了重要作用。番茄是合轴生长植物 (Sympodial growth) ，其茎尖分生组织干细胞活性直接决定株型、花期、花序结构、果实大小、收获指数和最终产量，是番茄设计育种和生长发育调控的发育学基础。

植物分生组织干细胞的活性维持和命运决定是植物生物学的核心命题，也是植物形态建成和作物分子设计的基础。作为重要的园艺经济作物和经典的模式植物，番茄茎尖分生组织体积较大、发育和成熟过程的组织形态学界限分明，是研究植物茎尖干细胞活性和命运决定的理想模型。番茄在设施栽培条件下，常因低温、弱光、高温、高盐等环境胁迫而导致株型、花期、花型、果实等性状表达障碍，最终导致减产甚至绝产，而这些性状表达障碍均与番茄茎尖分生组织干细胞活性密切相关，同时伴随着环境胁迫，也会产生大量的被认为是危险化学信号的活性氧 (ROS) ，如H 2 O 2 。但作为危险化学信号的ROS是否直接参与番茄茎尖干细胞活性调控? 如果参与，又是如何参与番茄茎尖干细胞活性调控呢?这一科学问题至今尚无人解答。中科院遗传发育所许操研究组及其合作者最近在Nature Chemical Biology发表了题为ROS regulated reversible protein phase separation synchronizes plant flowering的文章，报道了全新的干细胞活性调控机制，回答了上述问题。

该研究从正常现象中找出科学问题，他们发现正常生长发育的番茄茎尖分生组织中也积累H2O2，而且累积部位与一个控制番茄茎尖分生组织成熟的转录因子 TMF 的表达部位存在部分重叠， 预示 ROS 可能与茎尖分生组织成熟相关。通过药物处理和 CRISPR 敲除突变体证实，H2O2通过 TMF 调控番茄茎尖分生组织成熟和花期。深入研究发现，TMF 蛋白的半胱氨酸可感受H2O2，并被氧化形成分子内和分子间的二硫键，这些二硫键促进TMF的天然无序区域 (Intrinsically disordered region, IDR) 聚集，增强共价相互作用，激发蛋白质相分离，与花原基分化基因 AN 的启动子结合，形成可逆的转录凝聚体 (Transcriptional condensates) ，精准调控成花基因的表达，保障成花转变“不早不晚”， 开花有序进行。值得注意的是，tmf 突变体对影响植物 ROS 水平的药物处理不敏感，预示其可能具有较强的耐逆性，TMF 转录调控机制的发现将为 ROS 信号与植物逆境响应相关的研究提供借鉴。

蛋白质相分离现象的发现，使得人们对蛋白质在细胞内的活动方式有了全新的认识，这一领域的研究仅在动物和酵母中刚刚兴起，植物中的研究报道尚少。迄今为止，蛋白质相分离是否参与植物茎尖干细胞命运决定完全未知，因此该研究结果填补了这一领域的空白，是重大突破性成果。同时，该研究是世界上首次在农作物中报道蛋白质相分离现象，研究几乎是从零开始，通过扎实的生物化学分析和遗传学、分子生物学验证，开创性地把 ROS 氧化还原信号、蛋白质相分离和作物干细胞命运决定三个高度复杂和跨学科的科学问题建立联系，并阐明了机制，实属难得。更有价值的是，该研究与生产实践紧密联系，从农业生产中寻求科学问题，并使用特色鲜明的园艺作物—番茄作为研究模式，解析复杂的生物学机制，为其他作物复杂性状的研究提供了借鉴。

专家点评

张宪省教授（山东农业大学校长、作物生物学国家重点实验室主任）

茎尖分生组织干细胞直接决定植物地上部分的形态建成，影响农作物的株型和最终产量。 茎尖分生组织从营养生长到生殖生长转换的过程是一个受内在发育信号和外界因素协同调控的程序化过程，基因表达的时序性精准调控是实现这个程序化发育过程的关键。 ROS是有氧代谢不可避免的副产物，在植物遭受逆境时会大量积累。 因此，长期以来人们格外关注它与植物逆境响应的关系。

茎尖干细胞在命运转换时代谢旺盛，也会产生大量的ROS，通常认为植物体内的清除系统会将其清除掉。中科院遗传发育所许操研究员团队的研究工作使我们眼前一亮，让人们看到了植物“技艺高超”的一面，它们演化出一套精妙的信号传导和基因表达调控系统，可以将危险的、有潜在毒性的ROS分子充分利用，使之成为一种对生长发育有益的信号，直接在干细胞命运决定这一核心生物学过程中发挥不可替代的作用。

该研究发现成花转换期的番茄茎尖分生组织 (Transitional meristem) 的周边区富集H 2 O 2 ，而在该区域表达的ALOG家族转录因子TMF可以感受H 2 O 2 的氧化力，产生分子内和分子间的二硫键，二硫键的形成可以召集TMF的天然无序区域 (Intrinsically disordered region, IDR) 激发蛋白质相分离，形成具有动态流动性的生物凝聚体 (Biomolecular condensates) 。该凝聚体结合在成花基因的启动子区，形成“牢固”和相对分离的蛋白质与DNA结合在一起的“无膜细胞器”，抑制成花基因的过早表达，实现基因表达的精准控制，保证开花的有序进行。

该研究首次发现活性氧作为发育信号，通过激发蛋白质相分离，形成转录凝聚体精准调控基因表达，进而决定植物干细胞命运；是将化学信号转导-蛋白质行为-干细胞命运决定三个重大科学问题紧密联系并阐明机制的经典范例，填补了植物生物学领域蛋白质相分离与干细胞命运决定相关研究的空白，无疑是该领域的重大突破！鉴于ROS在植物逆境中大量产生，动植物基因组均编码大量含有半胱氨酸的转录因子，该研究成果将为动植物逆境响应与发育可塑性研究提供借鉴。

论文解读

大约24-38亿年前，地球开始产生氧气，大气层由厌氧环境逐渐转变为富氧环境，自然选择促进了耗氧生物的生存优势和生命演化。耗氧代谢增加了多细胞生物的能量代谢效率，但高频的电子传递和能量转换不可避免地产生化学性质活泼、具有高度氧化力的活性氧分子 （Reactive Oxygen Species, ROS） ，主要包括 (O2·-) 、过氧化氢 (H2O2) 、羟基自由基 (·OH) 以及一氧化氮等。细胞内累积过量ROS会导致DNA的氧化损伤以及蛋白质行为的改变, 引起细胞病变和死亡。因此，长期以来，活性氧被认为是一种危险信号。多细胞生物正常生长发育过程中旺盛的能量代谢会产生大量ROS，除了自身清除机制，它们是否进化出更为“节能”的办法变废为宝，将危险信号变成有益信号？植物难以像动物那样自由移动来规避各种风险，它们是否进化出更为灵活和“聪明”的策略驾驭这些危险信号？

图1，修改自 Park et al., 2012, PNAS

许操团队的研究发现，正常生长发育的番茄茎尖分生组织周边区亦积累H 2 O 2 ，它可以作为“有益”的发育信号，以依赖TMF （TERMINATING FLOWER） 的方式调控茎尖分生组织成熟和番茄开花时间。番茄茎尖分生组织成熟是一个精准的程序化发育过程 (图1) ，TMF编码一个含有保守半胱氨酸 (Cysteine) 的转录因子，通过抑制茎尖分生组织过早成熟 (Precocious maturation) ，确保开花有序进行。TMF是控制茎尖干细胞命运，保障分生组织时序性发育的关键基因，其突变后，番茄过早开花，而且花序由多花变为单花。TMF在番茄茎尖分生组织的周边区特异表达，与H2O2积累的位置有部分重叠，而在这一区域表达的TMF蛋白在细胞核内呈现斑点状定位模式 (Puncta) 。进一步研究发现，TMF蛋白的半胱氨酸可以被在此累积的H2O2氧化，形成分子间和分子内的二硫键，二硫键促进TMF的天然无序区域 (Intrinsically disordered region, IDR) 聚集，增强了多价相互作用 (Multivalency) ，进而驱动蛋白质相分离，靶向花原基 (Floral meristem) 分化基因ANATHA (AN) ，形成转录凝聚体 (Transcriptional condensate) ，精准调控番茄茎尖分生组织的成熟 (Meristem maturation) 和开花。

H2O2 促进TMF转录凝聚体形成调控植物开花

综上所述，该研究发现了一种新的蛋白质相分离机制：干细胞利用能量代谢的副产物ROS作为氧化信号，诱导转录因子二硫键形成和天然无序区多价作用，产生“双驱动力”引发相分离。该研究首次将活性氧信号、蛋白质相分离和干细胞命运决定三个重要的生物学现象和科学问题建立了分子联系，并阐明了机制，系统验证了生物学功能，为该领域的突破性进展。同时，该研究首次将化学生物学信号，蛋白质行为直接与植物发育时序性转录调控联系在一起，更新了人们对植物茎尖干细胞命运决定机制的认识，将人们对发育生物学的认知推进到生物物理学和化学生物学层面，为使用交叉学科知识解析复杂生物学机制提供了范例。

据悉，该文是第一篇以作物为研究模式报道蛋白质相分离机制的研究论文。文章的审稿人亦给出了高度评价，他们认为, 该研究是植物中首次发现ROS介导的蛋白质相分离机制 (Studies on the ROS-mediated protein phase separation have only recently been reported in animals. To my knowledge this is the first study of its kind in plants) ；认为该研究进展是植物分生组织领域的“Step change” 的发现 (These data represent a step change in our current knowledge of how ROS regulate plant meristem functions) .

中国科学院遗传与发育生物学研究所许操课题组的博士后黄小珍、博士研究生陈树栋为该论文的共同第一作者，许操研究员为论文通讯作者，清华大学李丕龙研究员为共同通讯作者。清华大学李丕龙课题组李维平、许操课题组唐伶俐、章月琴、杨宁、邹玉盼、翟夏琬、肖楠、刘伟对该工作做出重要贡献。该工作得到王志珍院士、李家洋院士、Zachary Lippman教授、王磊研究员、杨靖研究员、蒋科研究员、吴庆钰研究员的指导和帮助。该研究得到中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目、中国科学院A类战略先导科技专项、科技部重点研发计划、自然基金委项目以及植物基因组学国家重点实验室资金支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41589-021-00739-0

许操实验室简介与招聘启事

许操研究员实验室以番茄、野莴苣等园艺作物为研究模式，围绕植物发育可塑性、系统稳健性与环境适应性三个内在联系与统一的生物学主题，主要从小肽信号与细胞通讯，蛋白质相分离与生命系统稳健性，基因编辑与作物重新驯化及定向进化等方面开展研究，认知上述生物学主题内在联系与统一的基本规律。许操研究员2017年8月于冷泉港实验室完成博士后训练，回国入职中国科学院遗传与发育生物学研究所，组建实验室3年多的时间里，以重要园艺作物-番茄为研究模式，先后在Nature Biotechnology , Nature Genetics 和Nature Chemical Biology 上发表论文，分别开辟了作物从头驯化 (De novo domestication) 、小肽信号与生命系统稳健性 (Peptide signaling and genetic robustness) 和相分离与植物发育可塑性 (Phase separation and developmental plasticity) 等新兴领域。

该实验室持续招聘优秀博士后和研究生，实验室科研方向新、课题基础好、实验平台优、 番茄口味佳 ，欢迎广大有志科研的青年朋友加盟 (caoxu@genetics.ac.cn) ！实验室网页：