有性生殖是生物適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的重要方式，也是物種延續(xù)與生物多樣性形成的關(guān)鍵。生殖細(xì)胞（雌、雄配子）的產(chǎn)生是生物完成有性生殖的前提。長期以來，植物生殖細(xì)胞相關(guān)研究主要集中于孢子體世代（二倍體世代，2n）占優(yōu)勢的種子植物類群，但在以配子體為主世代（單倍體世代，n）的苔蘚植物中，生殖細(xì)胞發(fā)生和發(fā)育機(jī)制研究不足，極大地限制了人們對(duì)陸地植物生殖細(xì)胞演化機(jī)制和規(guī)律的理解。

國家植物園（南園）徐波研究組科研人員及合作者發(fā)現(xiàn)了調(diào)控地錢生殖系細(xì)胞命運(yùn)決定的關(guān)鍵因子GERMLINE IDENTITY DETERMINANT (MpGLID)。該基因功能缺失導(dǎo)致精子器和頸卵器（雌性生殖器官）中無法形成生殖系細(xì)胞，但并不影響營養(yǎng)生長和生殖結(jié)構(gòu)的分化。MpGLID基因的異位表達(dá)，在葉狀體（營養(yǎng)器官）中誘導(dǎo)產(chǎn)生具有生殖系細(xì)胞特征的細(xì)胞團(tuán)。

生殖系細(xì)胞命運(yùn)決定調(diào)控模塊BNB-GLID在陸地植物中的演化模式

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，調(diào)控地錢生殖器官發(fā)育起始的關(guān)鍵因子BONOBO（MpBNB）通過直接結(jié)合MpGLID啟動(dòng)子區(qū)正向調(diào)控其表達(dá)，介導(dǎo)了地錢生殖系細(xì)胞身份決定。通過對(duì)BNB-GLID遺傳模塊演化分析，研究人員提出該模塊調(diào)控生殖系細(xì)胞身份建立在陸地植物最近共同祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，并在苔蘚植物中得到了保留；在陸地植物后續(xù)的演化過程中，隨著單倍體世代被逐漸壓縮，該模塊也發(fā)生了精簡，GLID在配子體世代中的功能完全丟失，并在孢子體世代（2n）中發(fā)生功能分化被招募調(diào)控絨氈層發(fā)育（以擬南芥MS1為代表），而BNB在配子體世代（n）中的功能則被保留下來。

與目前的普遍認(rèn)知不同，該研究表明了調(diào)控生殖系細(xì)胞命運(yùn)決定的遺傳機(jī)制在陸地植物中并不保守，并提出了雌雄配子演化的新觀點(diǎn)，不僅為理解陸地植物生殖細(xì)胞演化和花粉起源提供了新的見解，而且也為基因新功能化是植物孢子體世代復(fù)雜化的重要方式提供了例證。

該成果于近日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊The Plant Cell上。國家植物園（南園）已畢業(yè)博士研究生任小龍、助理研究員張曉霞和博士研究生戚肖桐為論文共同第一作者，徐波研究員和孔宏智研究員為論文共同通訊作者。國家植物園（南園）王柏臣研究員，英國萊斯特大學(xué)David Twell教授，博士研究生張?zhí)?、王慧杰、符淵及碩士研究生貢禹參與了部分工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體和面上項(xiàng)目以及王寬誠教育基金會(huì)的資助。

植物登陸與早期演化研究組

組長：徐波研究員

郵箱：boxu@ibcas.ac.cn

主要研究方向：以苔蘚植物地錢（Marchantia polymorpha）及小立碗蘚（Physcomitrium patens）為研究材料，圍繞陸地植物起源的科學(xué)問題，重點(diǎn)關(guān)注植物登陸與早期演化過程中關(guān)鍵性狀起源及適應(yīng)性演化的遺傳基礎(chǔ)。

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻