重点实验室研究进展：生长素在拟南芥雄蕊生殖细胞特化过程中不可或缺

5月25日，美国科学院院刊PNAS在线发表了由蛋白质与植物基因研究国家重点实验室白书农教授和赵峰为通讯作者的题为“Auxin guides germ-cell specification in Arabidopsis anthers”的学术论文。

该论文报道了三个重要的科学发现：第一，在雄蕊早期发育过程中，存在生长素动态分布，从在雄蕊横切面上的均匀分布，逐渐转变为以四个药室中的二倍体生殖细胞（Bai, 2017）为中心的向心梯度分布；第二，雄蕊自身的生长素合成在上述生长素动态分布过程中具有重要作用，敲除生长素合成基因TAA1/TRA2的双突变体中，上述动态分布过程无法形成；第三，生长素与已知SPL/NZZ基因及其产物互作决定二倍体生殖细胞的特化过程。这些重要结果为植物生殖细胞的起源和特化机制提供了一个全新的证据，尤其值得一提的是，在如此重要的细胞类型分化过程中，小分子物质的动态分布发挥了关键作用。

重点实验室白书农教授为该论文的通讯作者；赵峰博士是第一作者同时又是共同责任作者，郑亚风同学为共同第一作者，白书农实验室其他成员对本论文也提供了帮助。

原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.10.13.337634v1.full.pdf

附录：

这篇PNAS论文的相关工作从启动到发表经历了14年的漫长过程，通讯作者白书农教授对该工作的相关历史进行了回顾：

2007年，我们实验室当时同时开展三个主要课题：黄瓜单性花发育调控的研究、水稻雄蕊早期发育过程的转录组分析、拟南芥根表皮分化的染色质水平调控。赵峰进入实验室开始其研究生学习时，我让他在三个课题中选一个。他选择了雄蕊早期发育。但当时因为水稻转录组课题刚起步，还很难安排更多的人手。我就向他提出一个问题：为什么生殖细胞从雄蕊原基的4个角落开始分化，而不在雄蕊原基的中央开始分化？这是一个在植物学科迄今没有合理解释的问题。我们商量先试试能不能从生长素分布入手——当时一个很奇怪的现象是，在各种生长素分布的报道中，独独看不到雄蕊早期发育过程中生长素的分布。赵峰非常能干，用了两三个月的时间，他就发现了雄蕊早期发育过程中存在生长素的动态分布。可是，证明这种分布与生殖细胞分化之间的关系，花费了14年的时间——在苦于找不到生长素和生殖细胞或者已知生殖细胞分化不可或缺的SPL/NZZ基因之间的关联点的情况下，他选择了从两者可能的中间节点MAPK基因分析入手。发现了MAPK3、6蛋白可以磷酸化SPL并对SPL功能产生影响（Zhao, et al, 2017）。他毕业后，本文第一作者郑亚风同学前赴后继，特别踏实地进行TAA1/TAR2的突变体分析。终于确定TAA1/TAR2在双突的状况下出现生殖细胞分化异常的表型。然后，赵峰利用其在法国的信息便利和研究经验，指导郑亚风完成了对生长素分布的半定量分析，最终使得该研究形成一个可讲述的故事。

其实，该论文所发表的只是所做工作的一部分。我们曾经和香港浸会大学的汤雷翰老师以及北京大学定量中心的汤超老师实验室合作，试图对生长素动态分布过程及其效应构建数学模型；我们还曾经和自动化所韩华老师合作，试图对生殖细胞最初的分化过程进行三维重构。这些努力最终都因各种原因没有完成，但都处于未完待续状态。这些尝试为我们理解植物雄蕊中生殖细胞的诱导发生过程提供了不同的视角和丰富的信息，也积累了宝贵的经验。相信可以成为后续工作的坚实基础！

如果读过我写有关“植物形态建成123”观点论文或者上过我《植物发育生物学》课程的人可能会发现，我一直在强调植物雄蕊不是一个可比于叶片的“器官”，而是一个孢子囊群。这个观点由早年植物比较形态学家所提出，在突变体遗传学兴起、尤其是ABC模型独领风骚之后被边缘化，因此从来没有得到过分子层面实验证据的支持。由赵峰开始的这个工作，外加与杨继、饶广远老师合作的有关铁线蕨的研究让我意识到，把雄蕊看作是孢子囊群而非类似叶片的“器官”的解释更加合理。把雄蕊看作是孢子囊群，我们终于可以回答，生殖细胞为什么从雄蕊原基的4个角落开始分化，而不是从雄蕊原基的中央开始分化了。当然，有关雄蕊形态建成过程及其调控机制，恐怕也要因此而重新解释了。

放到更大的尺度上，生殖细胞是真核生物生活周期完成过程的关键节点。二倍体生殖细胞的核心功能就是进入减数分裂（Bai, 2017）。这对于动植物与真菌，都是不可或缺的。从目前的研究结果看，所有真核生物的二倍体生殖细胞都是由体细胞诱导分化而来。但诱导发生的时空特征却是各有不同。于是，一个有趣的问题出现了：千姿百态的真核生物中，殊途同归的二倍体生殖细胞的诱导机制中有哪些共同的规律，有哪些不同的策略？植物雄蕊（包括从苔藓到蕨类植物的各种孢子囊）中生殖细胞诱导发生的机制，显然是回答这一问题不可或缺的对照系统！

延伸阅读文献：

Bai SN (2017) Two types of germ cells, the sexual reproduction cycle, and the double-ring mode of plant developmental program.Plant Signal. Behav.May 2: e1320632.

Zhao F, Zheng YF, Zeng T, Sun R, Yang JY, Li Y, Ren DT, Ma H, Xu ZH, Bai SN (2017) Phosphorylation of SPOROCYTELESS/NOZZLE by MPK3/6 is required for Arabidopsis anther development.Plant Physiol.173: 2265-2277