植物的“投资智慧”
2020/5/27 17:00:00 中科院之声

     植物的枝干包括主枝和围绕主枝生长的侧枝，主枝和侧枝的交错构成了自然界多姿多彩的植物形态(图1，A)。每一条小侧枝上，可以着生叶片以进行光合作用，还可以开花结果。但是，生成的侧枝过多，意味着每条侧枝分配到的营养资源就越少，进而影响种子形成；生成的侧枝过少，则意味着根所吸收的营养资源没有物尽其用。

     因此，聪明的植物懂得审时度势，知道什么时候该“投资”侧枝发育，什么时候该选择保留资本。例如，高氮肥下水稻侧枝(分蘖)数目要明显多于低氮肥条件，使得水稻可以在高氮肥条件下获得更高产量(图1，B)。

    

     (图片来自网络)

     基因就像一个个模具，而细胞好比一间间厂房，基因在细胞里可以生产出一个个蛋白去执行各种具体功能，以此来实现植物的生长发育。研究人员喜欢以一种叫做“拟南芥”的小型植物为材料，来认识植物生长发育的内在调控机制。在拟南芥中，UBP15基因生产出的UBP15蛋白，执行着促进细胞分裂使种子变大的功能，而DA1基因生产的DA1蛋白，则通过促进UBP15蛋白降解来限定种子的大小。DA1基因的变异(da1-1)，使得UBP15蛋白更加稳定，因而产生出更大的种子。有趣的是，研究人员发现da1-1植株虽然种子变大了，但侧枝数目却减少了(图2，A，B，D)，那么小小一个DA1基因是如何影响种子发育和侧枝形成这两大过程的呢？

     今年4月份在植物学国际期刊《植物细胞》(Plant Cell)上发表的题为“CUC2/CUC3-DA1-UBP15调控模块控制植物分枝”(Control of Plant Branching by the CUC2/CUC3-DA1-UBP15 Regulatory Module)的研究论文中，中科院遗传发育所李云海团队续写了DA1 的有趣故事。

     拟南芥侧枝一般着生于叶腋处，其生长包括起始(Initiation)和最终长出(Outgrowth)两个阶段。然而，在da1-1中有些叶腋处连侧枝起始的痕迹也没有，表明DA1控制着侧枝的起始(图2，C)。通过遗传杂交实验，研究人员发现另一类调控侧枝的蛋白CUC2/CUC3会结合到DA1基因上游序列，促进生产DA1基因和DA1蛋白。

     那么，DA1蛋白是否调控了其他蛋白来影响侧枝发生呢？研究人员对da1-1进行甲基磺酸乙酯(EMS)诱变处理，这种处理可以在成千上万颗da1-1种子中随机变异掉一些基因功能，继而通过播种观察侧枝数目变化，可以找出拮抗da1-1的基因。

     有趣的是，人们发现UBP15的突变可以使da1-1侧枝数目回复到正常水平(图2，D)。所以，美妙的缘分又让DA1和UBP15在叶腋处相遇了。同样一对基因或蛋白，在种子中是发挥调控种子大小的作用，一到了叶腋这边，就行使调控侧枝形成的功能，不禁让人感叹生命的神奇。

    

     (图片来自网络)

     CUC2/CUC3-DA1-UBP15调控模块解释了为什么da1-1突变体中种子变大的同时，会减少侧枝的发生。这是植物的投资智慧，因为在有限的营养供应下，植物需要权衡资源投入(产生侧枝)与产出(收获种子)。当我们理解了植物的做法时，或许我们可以帮助它们做点什么，比如使用基因手术刀(CRISPR技术)定向编辑种子里的DA1基因而不影响叶腋处的DA1基因，这或许可以在正常分枝的基础上实现种子增大的效益。

     答案是未知的，但未来是可期的。

     来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所

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