中外团队揭秘黄瓜卷须背后的新型多功能转录因子
株型改良已经给水稻、小麦和玉米等粮食作物带来了大幅增产。
当科学家在田间的园艺作物中寻找增产答案的同时，他们的工作也为一些生物学基础问题提供了重要参考。
2020年7月13日，《自然—植物》在线发表了中国农业科学院蔬菜花卉研究所、深圳农业基因组所和中科院生物物理所、加州大学戴维斯分校等6家单位的合作成果。
他们发现，黄瓜卷须身份基因TEN是一个新型的多功能转录因子，能够结合在基因内部的增强子上，并通过乙酰化修饰组蛋白球体区域的赖氨酸，打开染色质，激活靶标基因。
“这项研究通过黄瓜卷须这个特殊的‘透镜’，为解答结合到基因内部的转录因子如何调控基因表达这一基础科学问题提出了新的见解，是发育生物学和基因表达调控领域的一个重要突破。”中国科学院上海植物逆境生物学研究中心研究员朱健康评价说。
达尔文的卷须之问
在设施生产上，黄瓜栽培需要吊蔓生长，不需要黄瓜卷须的攀缘能力。同时，卷须作为营养器官的生长争夺了大量生殖器官即黄瓜生长所需的养分。
论文通讯作者、中国农科院研究员黄三文告诉《中国科学报》，在生产上需要及时去除卷须，以促进黄瓜的健康生长、保证产量。而人工去除卷须费时费工。因此，培育适合轻简化栽培的无卷须品种，将成为黄瓜株型改良的一个重要方向。
2010年，黄三文团队开始从基因组学中寻找解决这一实际生产问题的答案，结果却意外地解答了一百多年前困扰达尔文的一个基础生物学问题。
1875年，达尔文在《攀爬植物的运动和习性》一书中发问：“葫芦科植物卷须的同源器官是什么？”
这是因为，科学家通过解剖和实验发现，豌豆（豆科）卷须的同源器官是叶，葡萄（葡萄科）卷须的同源器官是花序，而同样的方法却不能证明葫芦科代表植物黄瓜卷须的同源器官是什么。
论文第一作者、中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员杨学勇告诉《中国科学报》，通过鉴定世界范围内的3342份黄瓜种质，团队从中发现了唯一的西双版纳无卷须黄瓜。
“这是云南的地方品种，在它的叶腋处，本来应该生长卷须的位置，长出的是变态侧枝，替代了正常卷须。这个侧枝的末端还保留了一点卷曲的特征。非常特别和神奇。”杨学勇说。
利用稀有SNP的分析手段，他们克隆了控制卷须的身份基因TEN。基因TEN编码一个CYC/TB1类转录因子，这一类转录因子是植物株型调控的核心。
从大刍草驯化到玉米的关键基因tb1也编码这一类转录因子。tb1抑制了分蘖的形成，改变了大刍草株型，从而进化为产量更高的玉米。
2015年，这一研究结论发表于《分子植物》，成功回答了达尔文的葫芦科卷须之问，即黄瓜卷须的同源器官是侧枝。
全新的多功能转录因子
“于是，我们就想知道TEN是如何调控黄瓜卷须形成的。”黄三文说，沿着这条路走下去，他们发现了黄瓜卷须另外两个神奇之处。
转录因子是一类蛋白质分子，承担着启动基因组中特定基因表达的功能。
科学家已经对转录因子结合在基因的近端启动子或远端增强子上，从而调控转录的机制比较了解。
“但最近的研究发现，CYC/TB1类的转录因子能够结合到某些基因的内部，来激活下游靶标。”朱健康说，其实在真核生物中，有许多发育相关的转录因子都能够结合到基因内部。“结合到基因内部的转录因子如何调控基因表达？目前其分子机制还了解甚少。”
杨学勇说，通过基因组学、转录组学、生物化学等综合分析，他们鉴定出TEN在黄瓜全基因组中的1700余个转录因子结合位点，并发现这些结合位点主要位于基因内部。
团队成员们意识到，基因TEN是一个研究转录因子如何结合到基因内部的绝佳对象。
更神奇的是，基因TEN表达以后，并不会像其同源基因、同样决定株型的tb1在玉米中表达那样，使得玉米分蘖消失，在解刨学上要找到tb1表达的组织会比较困难，而“由侧芽原基被抑制后长成的长长的卷须，提取组织材料非常方便，有利于研究基因型和表型之间的关系。”杨学勇说。
通过鉴定TEN结合在基因内部的474个直接靶标基因，他们发现，这些靶标基因主要参与腋芽发育和乙烯合成信号等生物学过程。
进一步证明这些基因内部的调控位点是一类新型的基因内部增强子，其中包括一个卷须偏好表达的乙烯合酶基因ACO1。
遗传结果证明，TEN转录因子的C端结合到ACO1基因内部的增强子激活其表达，通过调控乙烯合成来控制卷须的运动和攀缘能力。
那么，TEN编码的转录因子结合到基因内部的增强子之后，究竟如何调控靶标基因的表达呢？
在转录过程中，有一类非常重要的角色——组蛋白。组蛋白是染色体的基本结构蛋白，因富含碱性氨基酸而呈碱性，它由一个八聚体球体区域和尾部区域组成。
科学家已经了解，组蛋白尾部区域富含赖氨酸，通过乙酰化作用招募转录因子，激活基因的表达。
负责与酸性DNA紧密结合的组蛋白球体区域在植物的基因转录中发挥什么作用，尚不清楚。
通过大量的生物信息学和生化分析，黄三文团队证明，TEN编码的转录因子的N端结构域与模式作物拟南芥中的一类酰基转移酶具有一定的同源性，是一类全新的组蛋白乙酰转移酶，主要乙酰化修饰组蛋白球体区域的H3，维持染色质开放，从而激活靶标基因表达。
猜测：一种保守的调控机制
因此，“黄瓜卷须的身份基因TEN编码一种新型多功能转录因子，其C端结合我们现在还了解不多的基因内部增强子；N端则能够乙酰化修饰与DNA紧密相连的组蛋白球体区域，激活基因表达。”黄三文认为，这两种特殊的功能，可能让TEN转录因子的工作效率更高。
由于组蛋白球体区域是一个相对保守的区域，真核生物的组蛋白非常相似。这引发科研人员思考：TEN的这种多功能性，在其他生物中存在吗？
他们首先用TEN的同源基因——玉米的tb1基因来做验证。结果证明，tb1具有相同的分子机制调控下游靶标基因的表达。“CYC/TB1类转录因子可能具有保守的表达调控新机制。”杨学勇说。
为了在动物中验证这一新机制，他们查阅了研究最多的人类中的增强子结合转录因子——HSF-1和ERα的文献。
尽管人体中尚未找到类似的双重功能的转录因子，但他们发现，当转录因子结合位点是在基因内部增强子上，组蛋白的球体区域的乙酰化程度很高。“分子过程虽然还不清楚，但确实有这个相关性。”杨学勇说。
黄三文团队推测，在真核生物中，组蛋白球体区域乙酰化可能是基因内部增强子表达调控的一个保守机制。
不过，这项研究还引发了更多对未知的探索。
杨学勇介绍，他们发现，CYC/TB1类转录因子的N端结构域都包含一段无固定结构的无序区域。
这段区域除了少数保守氨基酸，序列分化非常大，但是依然具有保守的组蛋白乙酰转移酶的活性。
“无序区域具有保守功能，这一矛盾现象的原理，目前还不清楚。”杨学勇说。
“每一种植物都经历了独特的进化路径，都有可能成为研究某些生物学问题的特殊的便利的工具。”黄三文向记者强调，“黄瓜基因组小、基因数目少、没有近期基因组复制、基因冗余少，这些基因组上的特点使得它可以成为植物生物学研究的新模式体系”。
在获得了黄瓜基因组、变异组、转录组的大数据后，黄三文团队试图利用黄瓜为实验体系，破解植物次生代谢基因簇精确调控、性别决定、卷须形成等基础生物学问题。
同时，他们还要尝试回答最初的生产问题。“有希望利用这项研究的成果培育出没有卷须、产量更高、栽培更轻简化的黄瓜新品种。”黄三文说。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41477-020-0715-2
