植物也会“抛绣球”？来看北大教授的这项新成果
编者按
近日，北京大学瞿礼嘉教授课题组在Science期刊上在线发表研究论文Cysteine-rich peptides promote interspecific genetic isolation in Arabidopsis。
研究揭示了被子植物拟南芥中一种由小肽(AtLURE1)介导的信号通路，通过调控花粉管导向促进种间遗传隔离的分子机制。研究还发现一组“XIUQIU”小肽也参与了花粉管导向的调控。
“XIUQIU”是中文“绣球”的拼音。为何会有如此命名，这些小肽又是怎样工作的呢？快来一探究竟吧~
物种隔离
一般我们认为，物种多样性越多越好，物种之间打破遗传界限是否更有利于促进多样性？
事实上，不同物种杂交后多不可育，物种之间的遗传隔离发挥着重要作用，是维持一个物种不与其他物种混杂的关键。这样，在新的物种产生后就会保持其遗传特性，而不与其祖先物种或其他近缘物种混杂，物种数量因此得以增加。
160年前，英国博物学家达尔文在其著名的《物种起源》中记录下亲自实验验证了一种植物的花粉在与其他物种花粉的竞争中“胜出”的现象，这种“同种花粉优先”的现象为不同物种之间的遗传隔离提供了保障。
人们在动物中也发现了类似的现象，称为“同种精子优先”，这种现象保证了一个物种的精子被相同物种、而不是其他物种的卵子细胞所吸引，进而完成后续的融合（受精），维护了物种的纯系遗传。
造成物种间遗传隔离的因素很多，然而，在过去的一个多世纪中，人们对这种现象的分子机制仍然知之甚少。
分子机制研究
前人的研究表明，有花植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）雌性生殖器官中助细胞分泌的一类小肽信号（AtLURE1s）的5个成员可以特异地吸引该物种的雄性细胞花粉管（其中含有精子细胞）。
但有意思的是，无论是小肽信号AtLURE1，还是感受该信号的受体，在失去功能后植物都能顺利完成花粉管吸引和后续的受精过程，并产生正常的种子。这一现象激发研究者重新思考AtLURE1介导的花粉管导向的生物学功能。
北京大学生命科学学院瞿礼嘉课题组先发现了两个与上述5个成员具有相同功能的AtLURE1s成员，随后他们利用CRISPR/Cas9基因敲除技术获得了AtLURE1家族全体成员均被敲除的突变体（atlure1），发现突变体植株仍然可以正常产生种子。
这一结果表明，具有物种特异性花粉管吸引活性的小肽信号AtLURE1s并不是完成花粉管导向和后续受精过程所必需的。
那么，AtLURE1s这些拟南芥特异的小肽信号的生物学功能又是什么呢？
他们进一步研究发现，若将拟南芥的花粉、另一种与拟南芥亲缘关系很近的物种琴叶拟南芥（A. lyrata）的花粉一起共同授于拟南芥的柱头上，在AtLURE1信号正常的植物中，拟南芥的花粉管被优先吸引，竞争性明显；而在缺失了AtLURE1信号的atlure1突变体植株中，拟南芥的花粉管被优先吸引的能力则显著降低。
上述研究表明，AtLURE1s并不是拟南芥雌性器官分泌的吸引雄方花粉管的唯一信号，而是一类通过增加自身花粉管竞争能力、促进与亲缘关系相近物种产生遗传隔离的信号。
这一发现赋予了AtLURE1新的生物学功能，在分子层面上为达尔文在160年前用实验验证了的“同种花粉优先”现象提供了机制性解释。
“绣球”小肽信号新发现
有意思的是，瞿礼嘉课题组进一步发现，拟南芥的雌性器官还可以分泌四个没有物种特异性的吸引花粉管的小肽信号。
这几个小肽不仅可以吸引拟南芥的花粉管，还可以吸引其他近缘种如琴叶拟南芥和哈勒氏拟南芥（A. halleri）的花粉管。
这也解释了为什么所有atlure1突变体的花粉管仍然能够找到胚珠，顺利完成受精并产生种子。
这四个独特的小肽信号被课题组命名为“绣球”的汉语拼音“XIUQIU”，像中国古代待嫁女子抛绣球选丈夫一样，小小的绣球在彼此吸引的过程中发挥了关键的“牵线搭桥”的作用。
“XIUQIU”小肽信号的发现极大地完善了小肽信号调控有花植物受精过程的作用模型。
1. 拟南芥AtLURE1s-PRK6小肽受体信号通路通过特异吸引自身花粉管穿出隔膜的作用，促进A. thaliana与近缘种A. lyrata的遗传隔离。
2. 物种特异的吸引花粉管的小肽AtLURE1s与非物种特异的吸引花粉管的小肽XIUQIUs共同调控花粉管的导向过程。
中式起名法——绣球、如来佛祖金字压帖、女娲
和有意思的“绣球”小肽信号一样，瞿礼嘉课题组在命名基因时，非常喜欢在中国人的生活中、文学中找到贴切的类比，并以此命名，让人耳目一新、印象深刻。
2017年1月瞿礼嘉课题组在PLoS Genetics上发表了一篇论文，该研究发现并鉴定了一个新的植物印记基因，命名为“NUWA”（女娲）。
“NUWA”是一个拟南芥的必需基因，其功能的缺失导致雌配子体传递率下降，且早期胚胎和胚乳中出现细胞/核增殖缺陷，并最终导致种子败育。
2017年12月，瞿礼嘉课题组在Science上发表了一篇题为Arabidopsis pollen tube integrity and sperm release are regulated by RALF-mediated signaling的研究论文，找到了拟南芥有性生殖过程中参与控制花粉管细胞完整性与精细胞释放的信号分子及其受体复合体，并揭示了该过程的分子调控机制。
该研究发现的两个花粉管质膜上的受体被命名为BUPS1和BUPS2，即Buddha’s Paper Seal的缩写。源自《西游记》中的典故——如来佛祖的金字压帖。
孙悟空大闹天宫失败后，被如来佛祖拿住，压在五行山下。为防孙悟空逃出，佛祖用写有金字咒文的压贴（Buddha’s Paper Seal）压在五行山顶上，猴王被彻底封住。五百年后，唐僧西行途径猴王被封处，揭下佛祖的金字压贴，五行山炸裂，悟空释出，从此成就一段师徒西行万里取得真经的佳话。
西游记的故事 绘图：王雪霏
将基因的命名与中国文化因素融合在一起，可读性强、寓意深远。未来，让我们一起找一找北京大学瞿礼嘉课题组在国际期刊上更多暗含心意的“新发现”。
北京大学生命科学学院瞿礼嘉教授为该论文的通讯作者，他实验室的助理研究员钟声博士、北京大学生命科学学院博士研究生柳美玲和王志娟为该论文的共同第一作者。
中国科学院植物研究所郭亚龙研究员、中国农业大学资源与环境学院刘培教授、德国雷根斯堡大学Thomas Dresselhaus教授、美国Rutgers大学董娟博士、北京大学生命科学院肖俊宇研究员和顾红雅教授等也参与了其中部分工作。
该研究工作得到了国家自然科学基金和北大-清华联合生命中心的资助。
文章链接（可点击文末阅读原文查看）
https://science.sciencemag.org/content/364/6443/eaau9564
来源：北大科研部、生命科学学院瞿礼嘉教授课题组
编辑：东来
排版：孟畅
责编：以栖