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古老的基因網(wǎng)絡可以幫助植物適應環(huán)境

2019-01-30 09:35:20 ? 來源：

唯一不變的是變化。然而，在進化中，存在一些例外。雖然生命的巨大差異表明生物體不斷被改造成新的或改良的部分，但用于建造這些新生物體的許多工具對于修補它們來說太有用了。因此，正如科學家所說，他們在進化時期“保守”。

Marja Timmermans教授和冷泉港實驗室(CSHL)的一個科學家小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種這樣的工具的目的，這種工具存在于苔蘚和開花植物中，這些生物的共同祖先可以追溯到4.5億年前。

正如他們今天在發(fā)育細胞中所報告的那樣，該工具由一個基因網(wǎng)絡組成，該網(wǎng)絡包含一小段非編碼遺傳物質(zhì)，稱為小RNA及其調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)，已被用于使植物對環(huán)境線索更敏感。并促進對這些線索的強大而靈活的回應。

小RNA通過稱為RNA干擾(RNAi)的機制調(diào)節(jié)基因活性。一組稱為tasiARF的小RNA在陸地植物的進化過程中高度保守。tasiARF調(diào)節(jié)稱為生長素響應因子(ARF)的蛋白質(zhì)的基因表達。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，tasiARF / ARF基因網(wǎng)絡在開花植物的性器官，根和葉的發(fā)育中起作用。令人驚訝的是，這種基因網(wǎng)絡也存在于苔蘚中，它們不產(chǎn)生這些解剖學特征。

“這引發(fā)了一個問題，即tasiARF監(jiān)管真正提供的是什么是有益的 - 如此有益，以至于它在進化時期保留下來，然后最重要的是一次又一次地使用，”Timmermans說。同時也是德國蒂賓根蒂賓根大學植物分子生物學中心的Alexander von Humboldt教授。

為了揭示tasiARF基因網(wǎng)絡重復部署背后的秘密，研究人員檢查了它在苔蘚物種Physcomitrella patens對生長素的反應中的作用，生長素是一種激素，其效果首先由Charles Darwin研究。像tasiARF一樣古老的生長素以一系列不同的方式影響植物的發(fā)育，使對這種激素的反應的調(diào)節(jié)成為植物的重點。

研究人員發(fā)現(xiàn)了tasiARF賦予Physcomitrella生長素反應的兩個好處。首先，tasiARF使苔蘚對生長素更敏感。其次，tasiARF使生長素感知刺激的基因表達更加穩(wěn)定和均勻。

雖然tasiARF在單個細胞水平上影響生長素敏感性和基因表達的穩(wěn)健性，但Timmermans的研究小組還發(fā)現(xiàn)了小RNA的一種獨特的生物體屬性。在構(gòu)成早期苔蘚植物的細絲系統(tǒng)中，一些細胞具有高水平的tasiARF，因此對生長素更敏感，而一些細胞不響應，因此對激素的反應性較低。

“這是其他領(lǐng)域人們感興趣的地方，”蒂默曼斯說。她說，在生長素存在的情況下，細絲尖端的干細胞會分化。允許其細絲系統(tǒng)中的所有干細胞立即分化，不符合植物的最佳利益。相反，如果這些細胞中只有一小部分分化，那么剩余的干細胞可以在環(huán)境發(fā)生變化的情況下以不同的方式作出反應，提供一些安全網(wǎng)。

“一旦干細胞決定致力于成為某種細胞類型，它就會以強有力的方式實現(xiàn)，”Timmermans說。“然而，在整個生物體中，植物可以對沖它的賭注。” Timmermans認為，由小RNA控制的像tasiARF / ARF這樣的基因網(wǎng)絡可以在其他植物和動物中實現(xiàn)類似的賭注對沖策略。

它是tasiARF促進敏感和強大的生長素反應的能力，以及在植物內(nèi)空間調(diào)節(jié)這種反應的能力，Timmermans和她的同事們認為它是超過4.5億年植物進化的必不可少的工具。

“這項研究很重要，因為它跨越了這么多學科，”蒂默曼斯說。“是的，植物研究人員很重要，但它也真正增加了我們對進化的了解。”

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