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《Cell | 揭示植物通过有性生殖实现远缘杂交的新机制》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2023-10-08

  • 2023年10月7日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、新基石科学实验室瞿礼嘉/钟声团队在 Cell 期刊发表了题为Antagonistic RALF peptides control an intergeneric hybridization barrier on Brassicaceae stigmas 的研究论文。该研究在分子水平上解析了拟南芥柱头识别并接受自己花粉以及近缘花粉而不接受远缘花粉的机制，提出了柱头-花粉间识别与信号交流的“锁-钥模型”，阐明了柱头处的种间/属间生殖障碍形成的机理，完美解释了“花粉蒙导效应”。

    这一发现是植物生殖生物学和植物远缘杂交领域的重大突破，不仅揭示了植物在柱头处关键生殖杂交屏障建立的分子基础，还清楚地解析了上世纪提出的“花粉蒙导效应”，从而找到了一种简单、有效的方法打破植物柱头处的关键生殖障碍。这对于未来我们打破植物种间/属间生殖隔离、实现植物远缘杂交、为农业、园艺等领域创制全新的种质资源具有重要的理论意义和广阔的应用前景。



    本文内容转载自“ 生物世界”微信公众号。

    原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/W_KcXysk87HlwooxWsCfjw




  • 原文来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867423009819
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  • 《我国学者揭示植物通过有性生殖实现远缘杂交的新机制》
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    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2023-10-16
    •     在国家自然科学基金项目（批准号：31991202、31830004、32122014、32070854）等资助下，北京大学瞿礼嘉教授、钟声副研究员团队在植物通过有性生殖实现远缘杂交的机制研究方面取得新进展，相关成果以“两组功能拮抗的RALF小肽控制十字花科植物属间柱头处的杂交屏障（Antagonistic RALF peptides control an intergeneric hybridization barrier on Brassicaceae stigmas）”为题，于2023年10月7日在《细胞》（Cell）杂志在线发表。论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00981-9。   新物种的产生对于维持地球生物多样性具有重要意义。不同植物种之间的杂交是新物种形成的一种重要机制。多种重要经济作物，如小麦、棉花和油菜，都源自自然界中植物间的杂交事件。然而，不同种植物间杂交，必须要克服合子前和合子后的生殖障碍。合子前的种间/属间生殖障碍首先产生在雌蕊对花粉的识别过程中，而柱头则是雌蕊识别花粉的第一个也是最重要的地方。要实现远缘杂交首先需要克服的就是在柱头处的生殖障碍，但长期以来花粉与柱头之间的识别机制仍很不清楚。在上世纪50年代的远缘杂交研究中，研究人员曾尝试使用同种花粉与异种花粉进行混合授粉，以帮助异种花粉突破柱头处的生殖障碍，促进不同种植物之间的远缘杂交，这就是著名的“花粉蒙导效应”（Pollen Mentor Effect）。然而，七十多年过去了，“花粉蒙导效应”的分子机制仍不清楚。瞿礼嘉、钟声团队由此开展了本项研究。   他们在分子水平上解析了拟南芥柱头识别并接受自身及近缘花粉而不接受远缘花粉的机制，提出了柱头-花粉间识别与信号交流的“锁-钥模型”，阐明了柱头处种间/属间生殖障碍形成的机理，完美解释了“花粉蒙导效应”：由柱头的乳突细胞表面受体FER/CVY1/ANJ/HERK1、乳突细胞自分泌小肽sRALF1/22/23/33，以及细胞壁蛋白LRX3/4/5等组分协作构建成“锁”，该“锁”能阻止花粉管穿入柱头；自身及近缘植物种的花粉携带的7个旁分泌小肽pRALF10/11/12/13/25/26/30即为“钥匙”，该“钥匙”打开柱头处的“锁”，使得花粉管可以穿入柱头。远缘植物的花粉由于没有携带这把“钥匙”，打不开柱头处的“锁”，因而远缘植物的花粉管就无法穿入柱头，这就形成了植物种间/属间的杂交障碍。如果把同种花粉与远缘花粉混合授粉，由于同种花粉携带有“钥匙”，可以打开“锁”，远缘花粉管跟随同种花粉管一起穿入柱头，从而产生“花粉蒙导效应”。   进一步研究发现，通过突变去除柱头处组成“锁”的任一组分，“锁”的功能便会失效，远缘花粉管即可穿入柱头，柱头处的生殖障碍就会被打破。更为重要的是，人工合成同种花粉携带的“钥匙”（即同种花粉的pRALF小肽）施加到柱头上，可以完美地替代“同种蒙导花粉”，让远缘花粉有效地穿入柱头，成功克服柱头处这一关键生殖障碍。应用这一成果，该团队成功地在两个不同属的植物种之间（分化于2700万年前）实现了远缘杂交并获得了杂交胚。   该研究通过揭示植物在柱头处的关键生殖杂交屏障建立的分子基础，找到了一种简单、有效的方法打破植物柱头处的关键生殖障碍。这对于未来在农业、园艺等领域打破植物种间/属间生殖隔离，实现远缘杂交，创制全新种质资源具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
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  • 《微生物所叶健团队揭示红光调控植物抗虫媒病毒新机制》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2021-01-13
    • 病害三角（disease triangle）是描述疾病流行规律的理论，该理论指出“病害三要素”为致病病原生物、易感宿主和适合的环境条件三者相互作用才能引起侵染性病害。已知超过1480种植物病毒中，近80%由媒介昆虫传播，植物虫传病毒是制约我国农作物高产稳产的主要因素之一。以往作物病毒病害的研究注重于病毒和植物宿主两个方面，而实际上参与病毒传播、病害发生的因子还有传毒媒介昆虫以及光照、温度、气候、生物周期节律等环境因子。作为人类赖以生存的最重要生化反应，植物光合作用主要吸收红光和蓝紫光并存储为化学能，最终为人类和其他动物提供必需的食物和能量。光作为主要的环境因子，不仅调控植物生长发育的每个环节，而且同病害的流行爆发紧密相关。然而光是如何影响植物抗病性，病原微生物又是如何适应宿主抗性机制从而促进自身的传播等问题，尚亟待得到科学解答。 近日，中国科学院微生物所叶健课题组在PLoS Pathogens在线发表了题为Red-light is an environmental effector for mutualism between begomovirus and its vector whitefly的研究论文。该研究发现植物双生病毒卫星DNA编码的βC1蛋白可以通过靶向光信号途径的PIF转录因子家族调控的虫媒病毒抗性，促进虫媒病毒的快速传播，揭示了光调节双生病毒-烟粉虱-植物三者互惠共生的新机制。 　　本研究在前期工作的基础上，进一步以双生病毒中国番茄黄化曲叶病毒TYLCCNV与卫星DNA形成的侵染复合物为研究对象，发现双生病毒卫星感病植物和对媒介昆虫烟粉虱的吸引作用只有在光照条件下才会发生，而在黑暗条件下不会发生（图1A和1B）。已有研究表明βC1是病毒编码的关键决定因子，进一步利用单色光LED灯箱进行昆虫双选择实验，发现βC1转基因植物只有在红光和含有红光的白光条件下发生，而在黑暗、远红光和蓝光条件下没有显著差异 (图1C)。烟粉虱等大多数昆虫的视觉系统缺乏红光受体，是“红色色盲”，所以这种光依赖的烟粉虱选择行为改变主要是病毒感染植物后影响了昆虫嗅觉识别植物。 当植物受到昆虫取食后，会产生一系列的化学挥发物来调控昆虫的行为来趋避食草昆虫，其中萜烯类化合物 (Terpenes) 是植物挥发物中最丰富的一类化合物，研究报道部分倍半萜和单萜会趋避昆虫。该研究通过酵母双杂交筛选实验鉴定到光信号中的关键蛋白光敏色素互作蛋白 (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3, PIF3) 可以与βC1蛋白互作，进一步Co-IP实验证明PIF3与βC1在光照和黑暗条件下均可以在植物体内互作 (图2A)。PIFs蛋白可以直接结合萜烯合酶 (Terpene synthase，TPS) 基因的启动子促进其转录 (图2B和2C)，因此在PIF过表达的植物中，介体昆虫烟粉虱的产卵量减少、伪蛹发育缓慢 (图2D和2E)，说明PIFs蛋白具有直接的抗虫作用。通过竞争性BiFC和pull-down实验发现βC1蛋白可以通过干扰PIF蛋白二聚体的形成不同程度的抑制其转录激活活性 (图2C)。 植物激素茉莉酸（jasmonic acid, JA）是一种介导植物抗虫的重要激素，转录因子MYCs是JA途径中的关键调控因子。MYC家族转录因子调控下游多种抗虫相关次生代谢物质的合成代谢相关基因，包括TPS基因。该课题组早期研究发现双生病毒βC1可以靶标MYC2, 通过干扰其二聚体的形成抑制MYC2-介导植物抗虫反应，与其媒介昆虫烟粉虱形成的互惠共生关系（Li et al. Plant Cell 2014）。PIF蛋白参与植物多个信号通路以参与发育过程以及不同的胁迫响应，包括光和JA途径。研究报道AtPIF4与AtMYC2相互作用，该研究还发现AtPIFs-AtMYC2的互作在一定程度上抑制了TPS基因的表达，而βC1可以促进AtPIF4-AtMYC2异源二聚体的互作进而进一步抑制TPS的表达，促进昆虫的取食。结合以上研究结果该论文提出以下工作模型：在健康植物中，PIFs和MYC2形成同源二聚体，结合在TPS基因启动子的不同区域，共同调节TPS基因表达，从而趋避烟粉虱；当植物受到双生病毒感染后，βC1一方面可以抑制PIFs或MYC2同源二聚体的形成，一方面又可以促进PIF- MYC2异源二聚体的形成，最终抑制了植物对烟粉虱的抗性反应，促进烟粉虱的取食，促进病毒的传播与扩散。本研究解析了光和JA信号共同调节病毒-昆虫-植物三者互作的新机制，为防控虫媒病害提供新的靶点，也为实现利用单色LED灯绿色防控双生病毒病害提供理论依据。 该文章由叶健课题组的副研究员赵平芝、助理研究员张璇和已毕业硕士研究生龚雨晴为共同第一作者，课题组王端、王宁、孙艳伟、高连博为文章的共同作者。值得一提的是，该研究得到了方荣祥院士、北京大学邓兴旺院士、美国加州大学戴维斯分校Daniel J. Kliebenstein教授、中国农业科学院植物保护研究所周雪平教授、南京农业大学教授许冬清、浙江大学刘树生教授的大力支持，也为该文的共同作者，叶健研究员为通讯作者。感谢清华大学陈浩东教授和中国农业大学李继刚教授提供了宝贵的抗体材料。该研究受到国家自然科学基金重点项目、国家重点研究和发展计划生物安全专项、国家相关人才计划等项目的支持。
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