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栽培100万株花草后，武大教授破解百年难题

科学网 · 公众号 · 科学 · 2024-10-21 20:20

正文

文 | 《中国科学报》记者李思辉通讯员吴江龙刘时源

在武汉大学，有一位醉心于侍弄花花草草的教授。珞珈山上的一处温室里，密密麻麻地摆放着他的一盆盆宝贝疙瘩——水稻、拟南芥、烟草、蓝猪耳等不同植物“群英会”般聚集在一起，摇曳多姿、生机勃勃。

过去的20多年里，武汉大学生命科学学院教授孙蒙祥一直带领团队默默进行着植物发育生物学方面的研究。那一盆盆花花草草，就是他视若珍宝的实验材料。要问这些年里，孙蒙祥到底栽培了多少花草，他和团队成员粗略一统计，说出一个保守数字——100万株。

孙蒙祥教授（右二）和学生在一起。武汉大学供图

正是凭借这上百万株植物，该团队取得一系列植物发育生物学方面的重要研究成果。不久前，Nature在线发表了他们的一篇相关研究论文，破解了自“先天性缺陷”概念提出以来，困扰科学家们长达百年的一个难题：父母亲本基因是如何调控受精以及受精后的胚胎发育和器官建成的？

努力揭开微观世界的奥秘

在植物的生命旅程中，授粉、受精是非常重要的环节。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、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，相关研究对于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。但迄今为止，科学界对此所知甚少。

孙蒙祥团队的研究聚焦于植物受精过程中父本基因的作用。这项研究的一个显著技术障碍就在于卵细胞的获取——植物卵细胞很小，约为头发丝的四分之一大小，并且深埋在各种植物组织中，在显微镜下无色透明，难以观测。研究人员往往需要把卵细胞分离出来做实验，但这并不容易。

为此，他们最早选择了一种特殊的植物——蓝猪耳，因为其卵细胞所在的胚囊半裸露在外，便于分离。由此开始，他们经过十余年的努力，逐渐克服了一道道难关，建立了一整套在拟南芥、水稻等模式植物中成功地分离、收集卵细胞的技术，为进一步研究奠定了基础。

在传统的认知中，人们认为在多细胞胚胎形成后，父本基因才开始表达。但该团队研究发现，父本基因在受精卵细胞中就开始表达了，而非等到胚胎发生时才发挥作用。这一发现颠覆了传统认知，提出了父母亲本基因表达的新观点。

最近，该团队又发现一个名为“TREE1”的父本起源基因。它在受精卵中表现出活跃状态，能有效抑制母本有害基因的表达，以确保胚胎发育正常，从而以确凿的证据揭示了父本基因在胚胎发生中的重要作用。

“父本基因和母本基因究竟怎么相互作用？为什么要相互作用？相互作用的结果是什么？我们的工作提供了一个具体、可信的例子，并且说清楚了相互作用的途径与效应。”孙蒙祥告诉《中国科学报》。

该团队的研究不仅揭示了父本基因的独特作用，还发现了父本基因与母本基因之间复杂的相互作用。例如，精细胞进入卵细胞后不仅会激活某些启动胚胎发生的基因表达，也会抑制卵细胞内某些有害基因的表达，从而确保胚胎正常发育。两个方面缺一不可。这一发现为理解植物发育过程中的遗传调控机制提供了重要线索。

根子问题可能不在根上

“根部发育不良，问题可能不在根部本身。”孙蒙祥团队通过对拟南芥进行杂交实验，发现精细胞中存在的“TREE1”基因可以调控后代根系发育。

研究人员发现，在通过基因编辑敲除该基因后，精细胞发育并没有明显的缺陷，可以与正常的母本卵细胞完成正常受精，但繁育出的后代植物，根部出现了生长畸形、发育不良等情况。

“以往如果植物根部发育不良，大家就认为是根部的基因表达问题；叶片发育不良，就认为是叶片的基因表达问题。事实可能并非如此。”孙蒙祥告诉《中国科学报》。该团队的研究成果提供了一个新的考量因子，就是植物根部还未发育、或还处于精细胞阶段时，就有了遗传缺陷，由此导致了后来根部的发育不良。

在动物和人类生殖生物学领域，先天性缺陷的概念是由科学家加罗德于1902年首次提出的，对先天缺陷的研究至今已有100多年，但仍有很多难题亟待破解。比如，此项研究中，孙蒙祥团队发现精细胞的某些遗传缺陷可以定向调控后代特定器官的发育，即器官发育存在先天性调控机制。这是前人在植物发育研究中一直没有关注的领域。

这些重要发现，不仅破解了“先天性缺陷”概念提出100多年来，始终困扰着科学家的一些基础问题，而且提示了研究者在杂交育种时，不仅要关注父母亲本基因在器官发育中的表现，还要留意其先天性的遗传缺陷。

有业内人士认为，这项研究不仅推动了植物生物学的发展，而且为未来的农业育种及基因工程提供了一个新的方向。

科研从种植花草开始

植物生长周期较长，就算是较为方便常用的模式植物拟南芥，也需要两个多月才能收到种子。因此，要确定父本起源基因以及这个基因在什么地方起作用，很费功夫。从刚开始的基因编辑到拿到纯和的基因突变体植株，再到确定该基因的具体作用，甚至要花一两年的时间。

尽管周期漫长，孙蒙祥却一直坚持让学生从最基本的种植材料开始，强调动手能力和责任心的重要性。他告诉学生：“有材料才有工作，没有材料啥都没有。”在他看来，悉心守护科研材料、全周期地认真观察它们是科研人员必须具备的基本功。

过去的20多年里，孙蒙祥像个花匠一样，带领一拨拨年轻人在校园一角的温室里，悉心照料着每一株植物——超过100万株植物，从种子萌发到授粉受精，到开花结果，每一步他们都详细记录。

年复一年、日复一日的积累，加之对每一个发育细节一丝不苟、细致认真的观察，使得该团队以受精卵及其分裂后产生的各时期胚胎材料为基础，建立了一个完整的基因表达数据库——此举填补了这一研究领域的国际空白。