《eLife》被忽略的植物进化之谜

奈良科学技术研究所的研究人员发现，KNOX和BELL蛋白的祖先作用是在一个模式的基础陆地植物物种中激活合子发育，其功能与单细胞绿藻中的功能基本相同。在陆生植物进化过程中，这一角色转变为组织发育的维持。这项研究将对植物生物学研究和更广泛的生物科学具有重要意义。

　　

   

   

地钱(Marchantia polymorpha)受精前(左)或受精后(右)的卵细胞。绿色和品红分别表示MpKNOX1-GFP蛋白和母体组织的定位。值得注意的是，受精引发了MpKNOX1-GFP在未融合的雄性和雌性核中的富集。

有时在研究中，就像在生活的其他领域一样，基本问题的答案可能是显而易见的。来自日本的研究人员发现了植物进化之谜的一个关键部分，此前植物科学家忽视了这个问题。

eLife发表的一项研究中,奈良科学技术研究所领导的一个研究小组发现，植物KNOX/BELL蛋白的一个祖先功能是激活合子（由雌雄配子融合形成的第一个二倍体细胞，也称为生殖细胞），在陆地植物进化过程中，这一角色转向了维持器官发育。

发育生物学的核心问题之一是亲代基因组如何在受精卵中混合并被激活以开始二倍体发育。两种蛋白质，KNOX和BELL，作为转录因子，在基因表达中起重要作用的蛋白质。KNOX和BELL激活植物的二倍体发育，如单细胞绿藻，但是在陆地植物，如被子植物(开花植物)中，它们在维持芽分生组织(产生生长在地面上的整个植物的组织)和二倍体发育后期器官形成过程中发挥了作用。

“KNOX和BELL的不同功能是否在陆地植物和藻类中分别实现，尚不清楚，”该研究的资深作者Keiji Nakajima说。“尽管到目前为止，KNOX/BELLs藻类的受精卵激活功能以及它们与陆地植物的关系一直被植物生物学家忽视，但它们是这项研究的重点。”

为了调查这一点，研究小组观察了一种基础陆地植物物种——地钱(Marchantia polymorpha)，它最近被认为是研究陆地植物进化的一个很好的模型，特别是在有性生殖研究中。研究小组发现，配子表达的KNOX和BELL基因需要通过促进受精卵的核融合来开始受精卵发育，这种方式与之前在绿藻Chlamydomonas reinhardtii中发现的方式非常相似。

“我们的结果表明KNOX/BELL转录因子的祖先作用是合子激活，”Nakajima解释说。“随着陆生植物的进化，这一过程转向了分生组织的维护。”

这项研究的结果将对植物生物学家在胚胎和器官形成、有性生殖和进化等领域的研究具有重要意义。这些发现，除了在真菌和动物等群体中提出的等效方案之外，也将与更广泛的生物科学研究人员相关。

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eLife

DOI

10.7554/eLife.57090