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受精作用通過精卵細胞融合匯集并整合了父母親本遺傳物質(zhì)從而啟動胚胎發(fā)生，產(chǎn)生新一代植物體。父母親本基因如何調(diào)控受精以及受精后的胚胎發(fā)育和器官建成是發(fā)育生物學(xué)的基本科學(xué)問題，相關(guān)研究對解析植物發(fā)育調(diào)控機制、理解作物雜交育種分子機理至關(guān)重要，但迄今對此所知甚少。2024年8月28號，武漢大學(xué)孫蒙祥教授課題組在Nature在線發(fā)表了題為“Sperm-Origin Paternal Effects on Root Stem Cell Niche Differentiation”的研究論文，揭示了植物父本起源基因調(diào)控胚根干細胞發(fā)育的分子機制。與動物不同的是，植物的精、卵細胞深埋在母體組織中，很難開展相關(guān)研究工作。經(jīng)過長期摸索，孫蒙祥課題組創(chuàng)建了一套獨特的卵細胞分離技術(shù)，并結(jié)合單細胞測序技術(shù)，結(jié)合精細胞轉(zhuǎn)錄組；從中鑒定得到兩個在精細胞中特異表達的轉(zhuǎn)錄抑制因子TREE1和DAZ3。在該研究中，作者證實了TREE1和其同源基因DAZ3為父本起源基因。TREE1和DAZ3突變后，胚根原細胞發(fā)育命運發(fā)生改變，根干細胞龕分化異常。繼而根發(fā)育異常和根重建能力降低。作者發(fā)現(xiàn)受精后TREE1和DAZ3結(jié)合到卵細胞特異表達的母本起源基因RKD2的啟動子上，抑制其在早期胚胎中表達，以確保胚根原細胞正常分裂，以及根干細胞龕的發(fā)育命運正常確立。當(dāng)TREE1和DAZ3突變后，RKD2在早期胚胎中的抑制被解除，胚根原細胞和根干細胞龕的命運隨之發(fā)生改變。由此，揭示了一條在受精過程中雌雄配子在分子層面上的具體互作途徑，并解析了該途徑靶向調(diào)控胚胎具體器官形成的分子機制。該研究厘清了幾個重要的科學(xué)問題：1. 證實TREE1和DAZ3僅在精細胞中，而不在胚根原和根中表達，卻可以調(diào)控根的發(fā)育；揭示了胚后器官發(fā)生存在先天性調(diào)控機制。2. 揭示了受精作用的一個新的內(nèi)涵，即通過受精作用引入特定的父本基因抑制卵細胞內(nèi)的母本有害基因的表達，防止其對胚胎發(fā)育造成傷害，確保后代的正常發(fā)育。3. 精細胞的某種遺傳缺陷可特異致使根的發(fā)育異常。揭示了尚未引起關(guān)注的配子質(zhì)量在后代特定器官形成中的重要調(diào)控作用。武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后程天河為該論文第一作者，孫蒙祥教授為論文的通訊作者。武漢大學(xué)為唯一作者單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重大項目，重點項目以及博士后面上項目的資助。據(jù)悉，孫蒙祥教授課題組近來已在父母親本起源基因功能研究領(lǐng)域取得一系列重要成果，先后在Nature雜志發(fā)表了題為“Fertilized egg cells secrete endopeptidases to avoid polytube”的研究論文，揭示了植物母本起源基因ECS1/2編碼天冬氨酸蛋白酶防止多精入卵的機制 (Yu et al., Nature, 2021)；在Nature plants雜志發(fā)表了題為“EGG CELL 1 contributes to egg-cell-dependent preferential fertilization in Arabidopsis”的研究論文，揭示了在雙受精中，母本起源基因EC1是卵細胞優(yōu)先于中央細胞受精的調(diào)控因子(Wang et al., Nature plants, 2023)；在Molecular Plant雜志發(fā)表了題為“A female in vivo haploid-induction system via mutagenesis of egg cell-specific peptidases”的研究論文，證實母本起源基因ECS1/2的突變可作為母本誘導(dǎo)系創(chuàng)制單倍體育種材料 (Zhang et al., Molecular Plant, 2023)；在PNAS雜志發(fā)表了題為“DMP8 and 9 regulate HAP2/GCS1 trafficking for the timely acquisition of sperm fusion competence”的研究論文，揭示了父本起源基因DMP8/9響應(yīng)卵細胞信號，作為精細胞激活的一個指征，并促進精卵融合 (Wang et al., PNAS, 2022)等。這些工作無疑明顯深化了對于受精作用與其調(diào)控機制的認識。https://www./articles/s41586-024-07885-0
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