Medicago MtING1 和 MtING2 基因双敲除突变体的研究：解锁植物生长与开花的关键密码

《BMC Plant Biology》：Medicago Mting1 Mting2 double knockout mutants are extremely dwarfed and never flower implicating essential MtING functions in growth and flowering

为深入探究 Medicago 中 MtING1 和 MtING2 基因功能及其 PHD 手指结构域作用，研究人员创建双突变体开展研究。结果显示，双敲除突变体严重矮化且不开花，双 PHD 手指突变体仅轻微表型。这为植物生长开花调控及作物改良研究提供重要依据。

　　在植物的生长发育过程中，开花时间的调控就像一场精准的 “花期之舞”，它对于植物适应环境和农作物的产量至关重要。豆科植物作为世界上经济价值仅次于禾本科的第二大植物类群，其开花调控机制却仍有许多谜团未解开。就拿模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）来说，它的开花受 CONSTANS（CO）和 FLOWERING LOCUS C（FLC）等基因的调控，但在温带豆科植物苜蓿（Medicago truncatula）中，这些基因却 “不起作用” ，这让科学家们十分困惑。

同时，植物中的 ING（INHIBITOR OF GROWTH）基因编码的蛋白质含有保守的 ING 和 PHD 手指结构域，被预测在表观遗传调控中发挥重要作用。然而，这两个 ING 基因在植物生长和开花调控中的具体功能，尤其是在豆科植物中，几乎还是一片空白。正是为了填补这些知识的空白，来自新西兰奥克兰大学等研究机构的研究人员开展了一项关于苜蓿 MtING1 和 MtING2 基因功能的研究，该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，通过 CRISPR-Cas9 技术构建了 MtING1 和 MtING2 单突变体，并将它们进行杂交，获得了 Mting1-7 Mting2-2 双敲除突变体和 Mting1-1 Mting2-11 双 PHD 手指突变体。为了探究基因表达变化，利用 RNA 测序（RNA-seq）和实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）技术对不同突变体和野生型植株的基因表达情况进行分析。在蛋白研究上，运用荧光共聚焦显微镜观察蛋白的亚细胞定位，通过尺寸排阻色谱 - 多角度激光光散射（SEC-MALLS）分析蛋白的寡聚化状态。

研究结果主要分为以下几个方面：

1. 双敲除突变体的生长和发育缺陷：Mting1-7 Mting2-2 双敲除突变体表现出严重的生长和发育缺陷，与野生型及单突变体相比，植株极度矮化，在长达六个月的生长过程中从未开花，且分枝无法正常生长，叶片形态也发生显著变化，如叶片变小、数量减少，非三出复叶比例增加等。这表明 MtING1 和 MtING2 基因在苜蓿的正常发育过程中起着不可或缺的作用，二者在调节开花、生长和植物形态结构方面存在冗余和互补功能。
2. 双 PHD 手指突变体的表型：Mting1-1 Mting2-11 双 PHD 手指突变体与野生型相比，仅表现出轻微的生长和开花表型变化，如开花时间略有延迟，植株和复叶更为紧凑，叶片毛状体密度显著降低。这说明 MtING 蛋白的 PHD 手指结构域对其生物学功能的贡献相对较弱，在野生型背景下，该结构域并非发挥关键作用。
3. MtING 蛋白的定位和相互作用：通过荧光蛋白定位实验发现，MtING1 和 MtING2 蛋白均定位于细胞核，这与它们作为组蛋白阅读器的预测功能相符。但 SEC-MALLS 分析结果显示，在体外溶液中，MtING 蛋白的 ING 结构域不会形成同二聚体或异二聚体，这表明它们可能通过其他方式发挥功能。
4. 基因表达分析：RNA-seq 和 RT-qPCR 分析表明，Mting1-7 Mting2-2 双敲除突变体的基因表达与野生型差异最大，涉及数千个差异表达基因（DEGs）。其中，许多参与开花调控的 MADS 基因表达下调，如 MtAP1、MtAP1b、MtFULc 等，而候选的开花抑制因子如 SVP-like 基因、MtTEM1 和 MtTEM2 等表达上调。此外，突变体中与光合作用、叶绿体相关的基因表达下调，而与植物信号传导和应激反应相关的基因表达上调。这一系列基因表达的变化，与双敲除突变体的生长和开花表型密切相关。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，MtING1 和 MtING2 基因在苜蓿开花和生长发育过程中具有重叠和互补的功能，二者共同发挥作用，对植株从营养生长到生殖生长的转变以及整体的生长发育至关重要。然而，尽管 PHD 手指结构域在进化上具有保守性，但双 PHD 手指突变体的表型却比双敲除突变体温和得多，这暗示在野生型植株中，其他蛋白可能在 PHD 手指缺失时起到补偿作用，同时也表明 N 端 ING 结构域可能是 MtING 蛋白发挥功能的关键元件。

这项研究为深入理解植物 ING 基因的功能提供了重要线索，有助于揭示植物生长和开花调控的分子机制，特别是在豆科植物中。此外，研究结果还为通过调控 ING 基因来改良农作物品种提供了理论依据，有望为未来农业应对各种挑战提供新的策略和方向。