植物的世代交替中，為何要經歷幼年期的重置過程

正如孩童時期，父母總期盼著我們“快快長大”一樣，農民對作物也有同樣的期待。如今，科學家找到了植物成長背后的“操控者”。

3 月21 日，中科院分子植物科學卓越創新中心研究員王佳偉團隊發表了最新研究成果。他們把擬南芥作為模式植物，利用遺傳學、分子生物學和多組學分析等手段，系統描繪了基因MIR156/7 家族成員是如何控制植物幼年期生長發育的，這有助研究人員深入探索、理解植物生命周期。

生命體中的“計時器”

植物由種子萌發，而后開花結果。如此循環往復，生命得以延續。然而，一代又一代的生命體為何會有幼年期？

“植物每個世代都有幼年期，每個新生命誕生時就像是‘恢復出廠設置’一樣，這就是跨代重置。”論文通訊作者王佳偉說，在植物的世代交替中必須經歷幼年期的重置過程。

已有研究表明，植物幼年期的跨代重置受損，會導致后代過早開花和繁殖失敗。然而，跨代重置背后的分子機制目前尚未得到充分解析。

小分子RNA（microRNA，以下簡稱MIR）作為基因表達調控的一種重要手段，在植物的生長發育中發揮著重要的調節作用。一直以來，王佳偉團隊以“年齡”為關鍵詞，從MIR 入手，研究植物的發育過程和生命周期。

2009 年，王佳偉團隊研究發現，MIR156 及與其基因序列相近的MIR157 是植物幼年態向成年態轉變的主要調控因子，它們對于幼年期的維持是充分且必要的。

有趣的是，MIR156/7 猶如一個“計時器”，隨著植物生長而“倒計時”——它們的含量在植物幼苗中很高，隨著植物年齡增長，含量逐漸減少。這類基因的存在，也說明了在植物整個發育周期中，從成熟到衰老，直至死亡的過程是不可逆的。

“MIR156/7 在世代交替中必然經歷了重置過程，綜合研究MIR156/7 的重激活機制，將有利于我們進一步理解植物的幼年期重置乃至整個跨代重置的根本機制。”王佳偉說。

“計時器”如何控制幼年期

研究人員首先利用RNA 原位雜交、熒光報告體系及small RNA-seq 等方式對MIR156/7 家族進行考察，發現在擬南芥世代交替中，該家族的全部12 個成員均發生了表達重置，但不同的基因選擇重置的時間節點有所不同。

比如有的基因在生殖過程中重置，并在受精后重新激活；有的基因在胚胎發生過程中更早激活；還有的基因在胚胎發生過程中幾乎沒有蹤跡，在種子萌發后開啟高度表達模式。

“這正是生命的神奇所在，家族成員多，且發展出不同多樣化的重編程途徑，相當于有很多‘替補’選手，保證了植物幼年期重置的穩健性，即使丟失一兩個基因也依舊能穩定地從幼年期出發，而后發展壯大。”王佳偉表示。

為什么植物一定要有幼年期？事實上，幼年期階段的存在，對于后代繁殖積累足夠的物質和能量具有重要意義，且幼年期越長，對植物充分成長的幫助越大。

為了進一步探究MIR156/7 家族的功能，從2014年開始，王佳偉團隊的研究人員開始借助于CRISPR/Cas9 技術，克服傳統的T-DNA 插入突變體在非編碼基因方面的局限性，經過3 名博士研究生的努力，終于成功獲得了MIR156/7 各基因的完全敲除突變體，以及各種組合的多基因突變體。

研究發現，在這些突變體中，植物的幼年期出現不同程度的縮短。其中有12 個基因突變體甚至可以在不生長真葉的情況下直接抽薹開花。也就是說，通過徹底去除MIR156/7，研究人員創造了一個沒有幼年期、在胚胎時期就開花的植物。這進一步表明，植物世代交替中MIR156/7 家族表達重置及幼年期重置的重要性。

追尋年齡的秘密

此外，研究人員還在最重要的兩個家族成員——MIR156A 和MIR156C 基因的上游發現一段染色質可及性隨生長發育逐漸降低的區域，將其命名為“幼年期重置區域”，并通過遺傳學實驗證明該區域對MIR156 及幼年期的重置有重要作用。

隨后研究人員發現，胚胎發育過程中的重要調控因子LEC2 參與調控了MIR156A/C 在世代交替中的重置過程。

植物在生長發育中還有個“跨代重置”過程——春化，即一些越冬植物需要經歷長時間的冬季低溫后，才能在春季回暖后開花結果，這種“記憶”在下一代的胚胎發育時被擦除重置，使每一代植物都要在開花前重新經歷春化過程。

研究人員對比了植物“春化”過程與MIR156/7 家族基因的調控機制，發現植物春化途徑的核心調控因子FLC 的重置同樣受到LEC2 調控，而年齡途徑的核心因子MIR156/7 則以多基因家族成員并采用不同重置路線的方式，保證了植物幼年期重置的穩健性。

這兩者的異同有助于研究人員探索、理解植物的生命周期。

論文評審專家之一、澳大利亞國立大學教授托尼·米勒指出，該研究采用多種方法，科學且高質量地揭示了基因調控的復雜性，有助于進一步深入了解MIR156/7 的生物學機制。

談及應用潛力時，王佳偉表示，在胚胎和幼苗階段，高水平的MIR156/7 可防止早熟開花，從而確保植物，尤其是糧食作物在最佳時間開花，以最大限度地提高種子產量。

除糧食生產之外，果樹等經濟作物種植者最關心的是如何縮短幼年期，延長結果盛期，以獲得最大的經濟收益，而MIR156/7 家族基因的發現，也為其提供了科學依據。

“我們能不能縮短幼年期？為什么樹可以活上千年，而人類只能存活100 年？能否延緩衰老乃至逆轉年齡？”在王佳偉看來，這是研究的第一步，他們希望找到生命年齡的奧秘、延緩衰老的辦法，為人類的生命研究提供借鑒。