Science Advances | 南京农业大学研究团队发现BOP和CYC之间的拉锯战是决定花对称性建成的关键

从自然到建筑，似乎各个层次的造物者都偏好于将这个世界装扮成对称的样子给予人圆满的美感享受和艺术灵感。我们稍微留意就会发现大自然中有许多事物是对称的，例如冬天落下的雪花；动物的身体和五官；植物中的花、叶…。被子植物的花，根据对称面的多少可以分为3种基本类型：辐射对称花、两侧对称花和非对称花。前两种类型是显花植物王国偏好使用的方式。荷花、牵牛花和玫瑰花就是辐射对称花，一朵花中有两个或两个以上对称面；兰花和豆科蝶形花是两侧对称花，同一朵花里只有一个对称面；非对称花是同一朵花里没有对称面，例如三色堇和美人蕉。生命之美，就美在对称，这是来自进化的力量。早在200多年前，植物学家卡尔·林奈（Carl Linnaeus）就对花的对称性现象进行描述。他发现柳穿鱼（Linaria vulgaris）植物群体中尽管绝大多数个体都开出两侧对称花，但也有少数个体会开辐射对称花。这种不稳定的对称花把林奈迷住了，他很好奇为什么会出现这种现象，冥冥之中被谁掌控和安排的？经过一段时间的研究后又发现这种植物不能产生性状稳定的后代，并将其称之为“Peloria（正常异形花）”，希腊语“没有指针的罗盘或妖怪”。此之后，达尔文也曾记录过利用金鱼草（Antirrhinum majus）近辐射对称突变体进行杂交实验，并且在《动植物在家养条件下的变异》一书中做了细致的描述。时至今日，植物学家对于“Peloria”现象的关注度和兴奋度亦不亚于林奈和达尔文。

Fig. 1. Almost everything in the world is symmetry.

在柳穿鱼植物中那些两侧对称花的形态是由哪些因素控制的，为什么本该有着两侧对称花的柳穿鱼中会开出辐射对称的花？在过去数百年的研究中，关于花对称性的遗传和发育机制已取得一些进展。现在我们知道植物长出什么类型的对称花是由遗传物质的表达调控所决定。这表现在两个方面：首先要有正确的遗传物质-基因；其次是这些正确的基因执行合适的时空表达。在上世纪90年代末，英国约翰英纳斯研究中心的Coen团队经过人工筛选得到花对称性发生变化的金鱼草突变体，鉴定到决定花对称性的CYCLOIDEA（CYC）和DICHROTOMA（DICH）基因。只有CYC基因发生突变时，金鱼草的侧部花瓣具有腹部花瓣的样子，而背部花瓣则是同时有了腹部和侧部花瓣的特征。如果只是DICH基因发生突变，它们会维持金鱼草本来的样貌，只是背部花瓣之间的裂痕加深。当CYC和DICH基因同时发生突变时，金鱼草的花才会变成辐射对称花。这两个基因是如何掌控金鱼草形成两侧对称花呢？分子生物学实验揭示CYC和DICH基因在野生型金鱼草早期花原基的背部区域表达且始终局限于花的背部区域。除了CYC和DICH，在金鱼草里还发现RADIALES（RAD）和DIVOROCATA（DIV）基因也参与到花两侧对称的调控中。在背部的两个花瓣中，CYC能直接激活RAD。RAD和DIV竞争结合下游的转录因子而决定背部花瓣的发育命运。腹部三个花瓣因缺乏与DIV竞争结合的RAD从而决定了腹部花瓣的发育命运。在这个模型中，CYC基因对于野生金鱼草花的两侧对称的维持最为重要。目前对其他物种花对称性的研究也大多支持这一模型。然而，关于CYC的表达范围是如何被调控及其是通过何种机理对花的对称性进行调节仍然知之甚少。

Fig. 2. Simplified scheme of evolution of floral symmetry in Angiosperms

近日，南京农业大学菊花遗传与种质创新团队联合国内外多所院校的研究人员在国际著名期刊Science Advances发表题为BLADE-ON-PETIOLE interacts with CYCLOIDEA to fine-tune CYCLOIDEA-mediated flower symmetry in Monkeyflowers (Mimulus)的研究论文，揭示了BLADE-ON-PETIOLE（BOP）和CYC基因之间的拉锯战在猴面花对称性形成过程中的调控机制。该研究采用化学诱变方法筛选到猴面花Mimulus lewisii和M. verbenaceus花对称性发生改变的突变体。

Fig. 3. Phenotypic characterization of the two floral symmetry mutants in Mimulus lewisii.

基因组测序和BSA分析揭示这些突变体中的拟南芥BOP直系同源基因发生三个独立突变。功能分析进一步证实BOP是导致突变体的花对称性发生改变的基因。有意思的是，调控花对称性的CYC同源基因MlCYC2A和MlCYC2B在该突变体花苞中的表达显著上调。为了确定CYC表达水平的上调是否会形成类似于bop突变体花朵的背侧化特征，研究人员在M. lewisii野生型背景中过表达MlCYC2A，发现高MlCYC2A表达水平的转基因植株表现出完全背侧化的花。值得注意的是，尽管bop突变体和35S:MlCYC2A转基因系的花表型相似，但是它们之间也存在许多差异之处，例如突变体中表现出额外的花组织器官和部分同源异型转化，而这些表型没有出现在35S:MlCYC2A植株中，这表明除了MlCYC2A和MlCYC2B之外，BOP可能还调节一系列与花发育相关的其他基因。

Fig. 4. Identification of the gene responsible for the mutant flower phenotypes.

为了探明MlBOP和MlCYC2A之间的调控关系，研究人员通过原位杂交追踪M. lewisii中这两个基因的表达模式。分析结果显示MlBOP和MlCYC2A的时空表达模式重叠，表明MlBOP和MlCYC2A之间可能存在调节关系。

Fig. 5. Functional characterization of the BOP in M. verbenaceus and in situ hybridization of MlBOP and MlCYC2A in the wildtype LF10 background.

然而，由于MlBOP缺乏DNA结合结构域，不太可能直接结合MlCYC2A启动子。在拟南芥中，AtBOP2作为E3泛素连接酶复合物介导PIF4和LEAFY的表达来调节植物生长发育。鉴于MlBOP和MlCYC2A之间的重叠表达模式，研究人员推测MlBOP可能作为CUL3BOP E3泛素连接酶复合物对MlCYC2A进行翻译后修饰。为了检验这一假设，他们利用酵母双杂交实验检测MlBOP、MlCYC2A和MlCulline3a之间的相互作用。结果发现MlBOP与MlCulline3a和MlCYC2A相互作用，并且这种BOP-CYC互作模块在被子植物中高度保守。为了确定MlCYC2A是否可以直接被MlCulline3a-MlBOP复合物泛素化，研究人员进行了体外泛素化实验。然而，令人惊讶的是MlBOP发生自我泛素化，但是没有泛素化MlCYC2A；MlCYC2A的存在反而降低了MlBOP的自我泛素化。暗示了MlCYC2A可能充当MlBOP的竞争者，减弱由MlCulline3a-MlBOP连接酶复合物的泛素化能力。这个出乎意料的调控关系推翻了最初的猜测，促使研究人员不得不另寻其它方法探索MlBOP和MlCYC2A之间的调节机制。

Fig. 6. MlBOP interacts with MlCulline3a and MlCYC2A to form a protein complex.

接下来，他们在MlCYC2A启动子中鉴定出与CYC结合位点相匹配的候选顺式元件P1。EMSA 和DNA-蛋白pulldown实验表明，MlCYC2A在体外特异性结合MlCYC2A启动子中的P1元件，但是MlBOP却没有和该元件相结合。这些结果表明MlCYC2A通过直接结合启动子中的P1元件来激活自身的转录。那么，MlBOP和MlCYC2A之间的相互作用是否会影响MlCYC2A与P1元件的结合呢？DNA-蛋白质pulldown检测发现MlBOP的存在确实减少了MlCYC2A与P1元件结合的量，表明MlBOP以剂量依赖性方式特异性抑制MlCYC2A的自激活。

Fig. 7. MlBOP interacts with MlCYC2A to modulate the self-activation of MlCYC2A.

综上所述，该研究证实了植物通过MlBOP和MlCYC2A之间的分子拉锯战微调MlCYC2A的表达，从而促进两侧对称花的形成。

故事到这里只是暂告一个段落，还没有结束，MlCYC2A在bop突变体的花原基中不寻常的扩展表达现象仍有待进一步解释。如果MlBOP和MlCYC2A之间的相互作用能够微调MlCYC2A的表达，可以预测MlCYC2A只在突变体的背部花瓣中上调表达，而不是在整个花原基中扩散表达。基于该现象，研究人员推测MlBOP可能在花发育早期触发花序分生组织的近-远轴极性信号。野生型的花序原基极性建立后，在近轴域形成两个背部花瓣原基，并且该原基中MlBOP与MlCYC2A相互作用以维持 MlCYC2A的表达。然而，bop突变体的花序分生组织是近轴化的，所有花瓣原基都获得了背部花瓣特征，进而导致MlCYC2A的表达扩张。尽管这个初始信号的分子身份仍不清楚，但研究人员认为生长素是其中一个主要候选者，因为在金鱼草和猴面花中施加生长素或生长素转运抑制剂可以改变花的对称性；其次，在拟南芥中，BOP已被证实可以调节一系列叶片极性调节因子，而且这些调节因子可以调控生长素信号的空间传导模式。在未来的研究中，我们可以通过追踪这些叶片极性基因的表达或通过操纵它们在花序分生组织的早期发育阶段的功能来验证上述假设。

篇后语：基于现有的研究进展，我们是否可以任意改变花的对称类型？不要以为，改变花的形态只是为了满足人的好奇心。其实，调控花形态（对称性、颜色、大小等）还有很多实用价值。回到开篇，世界万物的对称性美感可以给予我们生活艺术般的享受，这万物也包括创制新颖对称性的花卉和农作物品种。对于植物本身而言，花对称性、颜色和器官大小是其与特定传粉媒介协同进化的结果。人类想要驯化新的经济作物或将作物引种至新环境时（例如 我国的“北豆南种”战略计划），亦要考虑当地是否有合适的传粉媒介。豆科作物例如大豆是重要的蛋白质来源。要想提高它们的产量，目前的主要手段还在于提高异花授粉率。然而豆科植物的花朵有些天生的坏毛病：它们的花又多又小，并且花瓣会把花蕊严实地包裹起来，授粉几乎变成了一朵花内部的工作，这样就使得异花授粉几无可能。如果能定向改变大豆的花器结构（包括对称性），使之吸引多种传粉昆虫或有利于风媒传粉，这将大大提高传粉的效率。值得注意的是，花结构的建成不是单纯几个基因单独作用，而是一个众因子间相互关联、构成网络状的作用模式，任何一个因子的改变都会影响到整个网络的稳定性，例如BOP基因的失控就会导致CYC基因表现出不寻常的时空表达模式。想要把花对称性这个网络搞清楚，随心造花，目前并不是一件容易的事。据悉，在花卉领域，南京农业大学菊花遗传与种质创新团队正在探索如何利用分子生物学技术创制新颖的菊花种质资源。该团队一直秉承着“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”的精神，已在菊花重要性状的遗传调控机制、种质创新、新品种选育及菊花标准化生产技术等方面取得斐然的成绩。