Science封面 | 有刺还是无刺？细胞分裂素是关键，植物刺趋同进化的遗传基础被揭示

撰文 | 静思

植物表皮凸起形成锐利的结构，被称为刺。刺的存在赋予植物攀缘生长、竞争空间、保持水分、防止被食草动物伤害等功能【1-3】。如玫瑰、柑橘、皂荚树等，均具有刺状结构，俗称“荆棘”。研究表明，这些刺状结构是由腋芽分化而来，而真正意义上的刺被认为起源于表皮或皮层，通常与“毛状体”的结构有关【1】。尽管刺具有多样的适应功能和广泛的系统发育多样性，但是在形态上表现出显著的相似性，属于性状趋同进化现象。达尔文进化论认为，相似的选择压力可能导致跨物种的独立的性状趋同适应性。随着分类水平的提高和进化分化的增加，表型-基因型趋同更可能是由于等位基因多样性、基因组背景和发育机制的变化导致【4】。在广泛的进化跨度内找到遗传证据充分且基因组数据完整的趋同性状并进行系统研究是一个重大挑战。茄属植物的刺性状在约600万年前出现，虽然控制刺发育的基因尚不清楚，但是茄属植物拥有丰富的物种谱系资源，并且存在刺性状消失和再出现现象，有利于研究反复的性状进化背后的遗传规律【5,6】。

近日，美国冷泉港实验室Zachary Lippman团队在Science杂志发表了题为“Convergent evolution of plant prickles by repeated gene co-option over deep time”研究论文。该研究对植物刺的反复起源和消失进行了系统发育分析和基因解析，发现了细胞分裂素合成基因家族LOG（LONELY GUY）控制刺形成的遗传现象。同时分析表明，共享的激素激活基因程序在植物形态创建的演化中广泛存在且反复出现。

茄子的无刺性状由一个单基因孟德尔位点控制，称为无刺 (prickleless, PL)，定位在6号染色体上【7】。该研究通过杂交及基因组测序发现并确认LOG基因中的剪接位点突变与无刺性状有关。在23个茄科植物品种中发现的剪接位点突变和单基因缺失突变表明，LOG基因中至少有两个独立突变导致茄科及其野生近缘种中出现无刺现象。此外，两种非洲茄子物种Scarlet 茄和Gboma茄中的平行突变也与无刺性状相关。基因组测序结果显示，三个栽培种中的PL位点共线性保留，并且这些突变导致的功能缺陷转录本表明LOG基因功能缺失是无刺性状的成因。

通过F2代群体的共分离分析，研究者确认了Scarlet 茄中LOG突变等位基因的孟德尔隐性表现方式和在Gboma茄中另一个不连接的隐性变异的影响。最后，通过CRISPR-Cas9技术在有刺的S. aethiopicumpin品种中设计功能缺失的PL等位基因，验证了这些突变对无刺性状的影响，确认了LOG基因是导致无刺性状的关键基因。同时发现，LOG基因至少有四个独立的突变，导致茄科物种中多次无刺的演化选择。

茄属植物的刺起源于600多万年前，并在大约200万年前分化为三个主要栽培茄子的进化支。在驯化和野生物种中，记录显示存在30次左右独立的刺失事件【5,6】。为了研究PL基因突变是否导致了这些独立的刺失现象，研究者从其他无刺物种及其有刺近缘种中采集DNA，并通过标本馆样本的PCR扩增、外显子测序和活体样本的全基因测序检测PL基因突变。在对无刺茄子的分析中，研究者除了发现四个已知PL突变外，还鉴定了另外12个可能对PL功能有影响的突变。这些突变与茄属内的14次刺失事件相关，并确认这些突变不出现在有刺的近缘物种中。研究发现相同的剪接位点突变在不同物种中存在，例如在非洲的无刺Gboma茄和中美洲的S. donianum，以及西非的S. lanzae和南美洲的S. stramoniifolium中。这些结果表明，PL基因在野生和栽培茄属植物中刺的消失中具有中心和反复出现的作用。

在多刺茄科植物中，PL直系同源基因的反复突变表明细胞分裂素生物合成基因（LOG）功能的协同作用对刺状体的进化至关重要。为研究这种基因协同作用是否延伸到其他开花植物，作者查阅文献，发现LOG基因的重复利用对多个植物谱系中刺状体的独立进化至关重要。大多数测序的种子植物基因组中保留了多个LOG基因副本，LOG基因家族中的某些分支在刺状体进化中具有更显著的协同作用，尽管在不同植物中，其他LOG家族成员的协同作用也可能与刺状体的进化有关。

研究者们发现LOG基因在不同茄属植物中通过反复的共选择起到了重要作用，尤其是PL基因。通过对茄属植物的基因组比较分析，他们发现PL基因座在整个茄属植物中保持了共线性，这表明这些基因在茄属植物和无刺的西红柿等物种之间具有共选择性。此外，通过对拟南芥和西红柿的基因表达数据进行分析，研究者发现这些基因表现出了高度的保守性，尤其是LOG1进化枝在1.2亿年的进化过程中保持了功能的稳定性。

进一步的实验表明，LOG1基因在不同植物组织中的表达模式存在差异，例如，在茄属植物中的表达具有组织偏向性。研究还显示，在森林茄（S.prinophyllum）等带刺植物中，PL基因在花和刺中的表达更为丰富，支持了其在刺发育中共选择作用的假设。综上所述，茄属植物中的LOG1亚进化枝的多样化和重复使用，可能在这些植物的刺状体发育和进化过程中发挥了关键作用。

研究者推测，通过共选择PL基因，可以培育出具有农业价值的无刺功能缺失突变体。为验证这种可能性，研究者设计了一种泛属的CRISPR-Cas9编辑策略，开发了三种茄属植物的植物再生、转化和基因组编辑系统。结果显示，在森林茄和灌木茄(S.centrale)中，pl编辑个体在通常会发育出刺的组织和器官中显示出强烈的刺发育抑制现象；番茄中的Slycpl编辑植物则与野生型相似，这可能是由于在PL基因共选择事件之前，SlycLOG1a和其他LOG家族成员存在功能冗余，同时编辑个体其他主要性状未受影响。结果表明，靶向PL基因是一种有效的策略，可用于改善野生或部分驯化的有刺可食果实植物的可收获性。

综上所述，该研究通过对茄属植物的系统发育分析，鉴定到编码细胞分裂素生物合成酶的LOG基因家族，发现LOG基因控制了多个物种的刺形成/消失性状。同时作者通过CRISPR基因编辑技术，实现了刺性状的消除，同时没有出现其他表型效应。该研究揭示了趋同进化的性状遗传基础（细胞分裂素的中心和反复作用）可以作为作物刺性状改良的遗传目标，为农作物性状改良提供了新的思路。

参考文献：

1. T. C. Coverdale, Defence emergence during early ontogeny reveals important differences between spines, thorns and prickles. Ann. Bot. 124, iii–iv (2019).

2. The Green Planet, “Water Worlds” (BBC, 2022).

3. M.-C. Zhong et al., Rose without prickle: Genomic insights linked to moisture adaptation. Natl. Sci. Rev. 8, nwab092 (2021).

4. M. Bohutínská, C. L. Peichel, Divergence time shapes gene reuse during repeated adaptation. Trends Ecol. Evol. 39, 396–407 (2024).

5. E. Gagnon et al., Phylogenomic discordance suggests polytomies along the backbone of the large genus Solanum. Am. J. Bot. 109, 580–601 (2022).

6. R. Hilgenhof et al., Morphological trait evolution in Solanum (Solanaceae): Evolutionary lability of key taxonomic characters. Taxon 72, 811–847 (2023).

7. R. Hilgenhof et al., Morphological trait evolution in Solanum (Solanaceae): Evolutionary lability of key taxonomic characters. Taxon 72, 811–847 (2023).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1663