青藏科考

揭示菌根起源基因参与苔藓干细胞与配子体发育

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2020-04-27 17:58


绿色植物登陆是真核生物演化的一个重大事件。在水生环境向陆地的转变过程中,植物的生存环境也发生着巨大的变化。为了适应恶劣的陆生环境,早期陆生植物演化出多种性状及策略,这些在陆生植物基部类群苔藓植物中仍有明显体现。水平基因转移(HGT)指亲缘关系较远的物种或个体间进行的遗传物质交流。水平基因转移可使受体物种获得外源基因,进而获得新的功能和性状,帮助其适应新环境,有可能是植物登陆的一种重要进化动力。 

菌根共生是一种古老而广泛存在于陆生植物与真菌之间的互惠共生关系,对绿色植物从水生到陆生的演化历程具有重要促进作用。然而,菌根类真菌与植物之间的基因转移以及对陆生植物主要性状起源的影响仍不清楚。近日,中国科学院昆明植物研究所青藏高原-喜马拉雅植物多样性形成与演变团队报道了菌根类真菌起源的PpMACRO2基因在早期陆生植物适应性进化中的作用。PpMACRO2 蛋白序列中含有的macro2 domain与ADP-核糖基化作用相关,但这种翻译后修饰机制目前仍不清楚。本研究以小立碗藓Phycomitrella patens为实验材料,通过沉默及过量表达PpMACRO2基因,发现苔藓植物三维生长的主要形态配子体在大小和数量方面均发生显著变化;GFP及GUS双标签的遗传材料PpMACRO2表达结果显示其参与干细胞及配子体的发育。进一步的小立碗藓原生质体及离体叶片再生实验表明PpMACRO2参与细胞的重新编程及植株再生。研究者同时对沉默及过量表达PpMACRO2的小立碗藓植物转录组数据进行了分析及qRT-PCR验证,结果表明PpMACRO2影响表观修饰及发育相关的转录因子AP2和Homeobox的表达。该研究揭示了从菌根类真菌转移来的PpMACRO2基因通过ADP-核糖基化作用影响其它类型的表观修饰机制(甲基化、乙酰化),进而调控与发育相关的转录因子AP2和Homeobox,最终参与干细胞及三维生长的配子体发育。该研究结果也表明菌根类真菌与植物之间的基因转移在陆生植物重要性状起源和演化方面发挥了重要作用。 

该研究成果以“A mycorrhizae-like gene regulates stem cell and gametophore development in mosses”为题在Nature Communications杂志上在线发表。中国科学院昆明植物研究所博士研究生王双华为论文第一作者,黄锦岭研究员和孙航研究员为共同通讯作者。上海大学胡向阳教授及河南大学孙桂玲教授参与合作。该研究受到国家自然科学基金及“第二次青藏高原综合科学考察”经费资助。 

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图1  PpMACRO2的系统发育树

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图2  PpMACRO2在配子体发育中的作用