Nature | 武汉大学孙蒙祥课题组揭示植物父本起源基因调控胚根干细胞发育的分子机制

责编 | 王一

受精作用通过精卵细胞融合汇集并整合了父母亲本遗传物质从而启动胚胎发生，产生新一代植物体。父母亲本基因如何调控受精以及受精后的胚胎发育和器官建成是发育生物学的基本科学问题，相关研究对解析植物发育调控机制、理解作物杂交育种分子机理至关重要，但迄今对此所知甚少。

2024年8月28号，武汉大学孙蒙祥教授课题组在Nature在线发表了题为“Sperm-Origin Paternal Effects on Root Stem Cell Niche Differentiation”的研究论文，揭示了植物父本起源基因调控胚根干细胞发育的分子机制。

与动物不同的是，植物的精、卵细胞深埋在母体组织中，很难开展相关研究工作。经过长期摸索，孙蒙祥课题组创建了一套独特的卵细胞分离技术，并结合单细胞测序技术，结合精细胞转录组；从中鉴定得到两个在精细胞中特异表达的转录抑制因子TREE1和DZA3。

图1：TREE1为父本起源基因

在该研究中，作者证实了TREE1和其同源基因DAZ3为父本起源基因。TREE1和DAZ3突变后，胚根原细胞发育命运发生改变，根干细胞龛分化异常。继而根发育异常和根重建能力降低。作者发现受精后TREE1和DAZ3结合到卵细胞特异表达的母本起源基因RKD2的启动子上，抑制其在早期胚胎中表达，以确保胚根原细胞正常分裂，以及根干细胞龛的发育命运正常确立。当TREE1和DAZ3突变后，RKD2在早期胚胎中的抑制被解除，胚根原细胞和根干细胞龛的命运随之发生改变。由此，揭示了一条在受精过程中雌雄配子在分子层面上的具体互作途径，并解析了该途径靶向调控胚胎具体器官形成的分子机制。

图2：TREE1和DAZ3的作用模型

该研究厘清了几个重要的科学问题：1. 证实TREE1和DAZ3仅在精细胞中，而不在胚根原和根中表达，却可以调控根的发育；揭示了胚后器官发生存在先天性调控机制。2. 揭示了受精作用的一个新的内涵，即通过受精作用引入特定的父本基因抑制卵细胞内的母本有害基因的表达，防止其对胚胎发育造成伤害，确保后代的正常发育。3. 精细胞的某种遗传缺陷可特异致使根的发育异常。揭示了尚未引起关注的配子质量在后代特定器官形成中的重要调控作用。

武汉大学生命科学学院博士后程天河为该论文第一作者，孙蒙祥教授为论文的通讯作者。武汉大学为唯一作者单位。该研究得到了国家自然科学基金重大项目，重点项目以及博士后面上项目的资助。

据悉，孙蒙祥教授课题组近来已在父母亲本起源基因功能研究领域取得一系列重要成果，先后在Nature杂志发表了题为“Fertilized egg cells secrete endopeptidases to avoid polytube”的研究论文，揭示了植物母本起源基因ECS1/2编码天冬氨酸蛋白酶防止多精入卵的机制 (Yu et al., Nature, 2021)；在Nature plants杂志发表了题为“EGG CELL 1 contributes to egg-cell-dependent preferential fertilization in Arabidopsis”的研究论文，揭示了在双受精中，母本起源基因EC1是卵细胞优先于中央细胞受精的调控因子(Wang et al., Nature plants, 2023)；在Molecular Plant杂志发表了题为“A female in vivo haploid-induction system via mutagenesis of egg cell-specific peptidases”的研究论文，证实母本起源基因ECS1/2的突变可作为母本诱导系创制单倍体育种材料 (Zhang et al., Molecular Plant, 2023)；在PNAS杂志发表了题为“DMP8 and 9 regulate HAP2/GCS1 trafficking for the timely acquisition of sperm fusion competence”的研究论文，揭示了父本起源基因DMP8/9响应卵细胞信号，作为精细胞激活的一个指征，并促进精卵融合 (Wang et al., PNAS, 2022)等。这些工作无疑明显深化了对于受精作用与其调控机制的认识。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07885-0