近日，著名期刊Nature Plants 在線報(bào)道了香港中文大學(xué)鐘思林課題組關(guān)于11種不同水果成熟趨同進(jìn)化的題為 “Genome encode analyses reveal the basis of convergent evolution of fleshy fruit ripening”的研究論文。

  盡管許多水果基因組已被測序，但科學(xué)家們?nèi)匀徊恢乐参锸窃趺催M(jìn)化出如此多類型的果實(shí)的。不同果實(shí)之間差異雖然巨大, 但是果實(shí)成熟背后的基因并不是果實(shí)植物特有的，如番茄果實(shí)變軟需要的水解果膠酶，番茄紅素合成酶等這些在成熟果實(shí)中高度特異表達(dá)的基因，在其他開花植物基因組如擬南芥中也存在。所以促使不同果實(shí)形成的關(guān)鍵信息并不在能編碼蛋白的基因區(qū)里，而在那些非蛋白編碼區(qū)里(non-coding region)。那么就是說測再多物種的基因組也不能解決這個(gè)問題，只有了解這些基因在各個(gè)物種中如何被調(diào)控，我們才能明白果實(shí)進(jìn)化的分子機(jī)制。

  香港中文大學(xué)的植物功能基因組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，采用人類ENCODE計(jì)劃的方法獲取了11種肉質(zhì)果實(shí)的各種功能基因組數(shù)據(jù)，包括361組基因表達(dá)數(shù)據(jù) (RNA-Seq)，45組全基因組DNA甲基化圖譜 (BS-Seq)，147組各種組蛋白修飾數(shù)據(jù) (histone ChIP-Seq)，71組全基因組開放染色質(zhì)區(qū)域圖譜 (DNase-Seq)，以及與DNA相互作用的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)據(jù) (TF ChIP-Seq)。通過比較這些水果基因組中的非編碼調(diào)控元件，研究人員發(fā)現(xiàn)了三種調(diào)節(jié)果實(shí)成熟的回路，即MADS-type，NAC-type 和dual-loop type (圖1)。它們是呼吸躍變果實(shí)進(jìn)化的關(guān)鍵。

  雙子葉中的番茄，蘋果和梨這些在近代經(jīng)歷了全基因組復(fù)制的物種，他們控制成熟的關(guān)鍵基因是全基因組復(fù)制后多出的成花相關(guān)的MADS家族基因。在番茄里， MADS轉(zhuǎn)錄因子RIN和TAGL1可以直接結(jié)合在乙烯合成基因ACS2 和ACO1的啟動(dòng)子區(qū)，激活它們的表達(dá)，并產(chǎn)生乙烯，而乙烯又可以反過來穩(wěn)定乙烯信號傳導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子EIN3蛋白，EIN3蛋白重新耦合到MADS-RIN基因的啟動(dòng)子區(qū)，形成一個(gè)正反饋環(huán)(positive feedback loop). 這個(gè)環(huán)造成了呼吸躍變果實(shí)中的自催化乙烯合成，而且直接調(diào)控果實(shí)成熟相關(guān)的下游基因，如使果實(shí)變軟，顏色發(fā)生變化等基因。

  而那些沒有經(jīng)歷過全基因組復(fù)制的雙子葉物種，如桃，木瓜和甜瓜，其果實(shí)成熟受到carpel senescence 的NAC家族基因調(diào)控，同樣形成一個(gè)正反饋環(huán)。而對于大約在100-1.6億年前，才從雙子葉分化而來的也經(jīng)歷多次基因組重復(fù)事件的單子葉植物香蕉，則同時(shí)具備MADS  和NAC-type loop。這個(gè)特異的雙正反饋環(huán)結(jié)構(gòu)使得香蕉可以在成熟開始后變得對乙烯抑制劑不敏感。

  乙烯是一種植物逆境脅迫響應(yīng)激素，如果這3種正反饋環(huán)在植物非成熟果實(shí)組織里不受到抑制，植物就會(huì)合成大量乙烯，造成細(xì)胞凋亡或植物衰老。該團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)在2013年Nature Biotechnology 發(fā)文闡述了番茄發(fā)育成熟時(shí)發(fā)生了全基組DNA去甲基化。去甲基化的位置和調(diào)控成熟的轉(zhuǎn)錄因子MADS-RIN的結(jié)合位點(diǎn)相關(guān)。所以當(dāng)時(shí)他們推測去甲基化是抑制成熟基因的一個(gè)重要的發(fā)育開關(guān)(developmental switch)。但是在對比11種果實(shí)的45組全基因組DNA甲基化圖譜后，他們現(xiàn)只有番茄果實(shí)里出現(xiàn)了全基因組DNA去甲基化。而局部的DNA甲基化變化在每個(gè)物種的果實(shí)發(fā)育都存在，它們和染色質(zhì)開合(chromatin accessibility)高度相關(guān)。但是這些甲基化變化在11種果實(shí)里并不保守。

  雖然DNA甲基化變化不保守，他們發(fā)現(xiàn)在所有果實(shí)里，H3K27me3在限制成熟基因表達(dá)方面卻發(fā)揮了相當(dāng)保守的作用。 H3K27me3是一種抑制性組蛋白修飾，不管在動(dòng)物還是植物中都發(fā)現(xiàn)它與關(guān)鍵發(fā)育基因的沉默相關(guān)。對植物而言，使用一個(gè)相對穩(wěn)定的表觀遺傳標(biāo)記如DNA甲基化或H3K27me3來抑制果實(shí)成熟的乙烯正反饋環(huán)有明顯的進(jìn)化優(yōu)勢。

  FruitENCODE項(xiàng)目還包含4種對乙烯不敏感的非呼吸躍變果實(shí)（西瓜，草莓，黃瓜，葡萄）以及擬南芥和水稻等dry fruit植物。它們也有調(diào)控果實(shí)成熟基因的同源基因。如番茄和桃子成熟所需的MADS和NAC的同源基因在雙子葉植物的花器官里表達(dá)，而香蕉的果實(shí)成熟NAC的同源基因則在水稻衰老葉片中表達(dá)。雖然它們沒有進(jìn)化出需要乙烯的呼吸躍變果實(shí)，它們的同源基因也有組織特異的H3K27me3標(biāo)記。這說明在進(jìn)化過程中，番茄，香蕉等水果不僅繼承并改進(jìn)了其祖先被子植物的genetic pathway，還沿用了它們的表觀遺傳標(biāo)記(epigenetic pathway)來控制成熟。

  Max-Planck的Alisdair Fernie教授也在同期雜志評論了這篇文章，他們寫道，這項(xiàng)史詩般的研究描繪了不同水果和干果成熟的藍(lán)圖，并就果實(shí)的成熟調(diào)控機(jī)制提出了史無前例的觀點(diǎn)。與所有系統(tǒng)生物學(xué)研究一樣，它同時(shí)也提出了一些超出其工作范圍的重要問題。 例如， DNA甲基化是否具有進(jìn)化意義，因?yàn)橹辉诜殉墒爝^程中發(fā)生全基因組去甲基化而在其他物種中并沒有觀察到這個(gè)現(xiàn)象。這項(xiàng)研究所提供的資源為后續(xù)相關(guān)研究提供了翔實(shí)的依據(jù)。、

來源：生命科學(xué)最前沿（公眾號）