一滴水，如何喚醒沉睡的種子？
植物種子是如何感知水的存在并開啟新的生命循環(huán)的呢？
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水是生命之源。大多數(shù)植物種子發(fā)育成熟后，往往要經(jīng)歷脫水、休眠的階段，等到外界的濕度、溫度等條件適宜時才開始萌發(fā)，并利用早先貯存的碳水化合物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)促進(jìn)幼苗的生長發(fā)育。比如睡蓮，種子脫水能夠在湖底休眠千年之久而不萌發(fā)。
植物種子如何使得各種分子重新 “活動” 起來？這里的關(guān)鍵因素就是水，那么，植物種子是如何感知水的存在并開啟新的生命循環(huán)的呢？
美國斯坦福卡內(nèi)基科學(xué)研究所 Seung Y. Rhee 及其合作者發(fā)現(xiàn)了植物中的一種全新的水分傳感器——FLOE1蛋白，F(xiàn)LOE1蛋白可以感知環(huán)境中水分的變化，引發(fā)相分離（即FLOE1蛋白在液滴和凝膠態(tài)之間的轉(zhuǎn)換），從而調(diào)控種子萌發(fā)。這一成果于近期在國際學(xué)術(shù)期刊Cell 上發(fā)表。
“盡管大多數(shù)植物的種子具有驚人的韌性，但對于整個植物生命周期來說，從種子到幼苗的階段是最為脆弱的，因?yàn)榉N子的萌發(fā)需要非常精確的時間調(diào)控，一旦啟動就不可能返回到休眠狀態(tài)——精靈不可能再回到瓶子里?！?論文第一作者 Yanniv Dorone 表示，“所以，像FLOE1這樣的蛋白對于植物精密調(diào)控生命運(yùn)行至關(guān)重要。” [3]
在所有已測序的基因組中，超過25-75%的編碼蛋白基因與任何具有已知分子功能的基因都不相似。為此，Seung Y. Rhee 團(tuán)隊開發(fā)了系統(tǒng)地表征這類 “未知” 基因的方法。而在本研究中，他們著眼于尋找能夠感受水分變化，進(jìn)而調(diào)控種子萌發(fā)的關(guān)鍵基因。
研究人員首先分析了公開可用的擬南芥（十字花科草本植物，植物學(xué)研究的模式生物）轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)（基因表達(dá)數(shù)據(jù)），發(fā)現(xiàn)了449個編碼蛋白基因在干燥種子的表達(dá)水平高于其他組織，其中包含了編碼14種朊病毒樣（prion-like）蛋白的基因。而在此之中，研究人員注意到了一個未表征的編碼——種植物特異性蛋白的基因（AT4G28300），將其命名為FLOE1（命名靈感來自于 Philip Glass 的Glassworks第二樂章，同時floe又有 “浮冰” 的含義，屬于相分離的水體）。
研究人員發(fā)現(xiàn)，FLOE1 的基因表達(dá)水平在種子胚發(fā)育過程中逐漸上升，并在種子成熟干燥狀態(tài)達(dá)到峰值。更有趣的是，干燥的種子在遇到水后，其中的FLOE1蛋白以凝集體（Condensates）形式存在。而在高鹽環(huán)境（NaCl，模擬脫水狀態(tài)）下，F(xiàn)LOE1并不形成凝集體（Dispersed），高鹽環(huán)境解除后，F(xiàn)LOE1的凝集體又出現(xiàn)，這就是相分離現(xiàn)象。這說明FLOE1蛋白的相（狀態(tài)）與水分緊密相關(guān)。
水、FLOE1和種子萌發(fā)三者又是什么關(guān)系呢？
研究人員發(fā)現(xiàn)，在高鹽環(huán)境下（即脫水狀態(tài)），正常的種子是不會發(fā)芽的，但是敲除FLOE1基因的種子發(fā)芽率顯著上升，說明在干燥環(huán)境下，F(xiàn)LOE1會抑制種子的萌發(fā)。
知其然，更知其所以然。隨后，研究人員針對FLOE1蛋白的相分離特性，進(jìn)一步鑒定了驅(qū)動相分離的結(jié)構(gòu)域，并證明其與種子萌發(fā)的關(guān)系。具體來說，谷氨酰胺、脯氨酸和絲氨酸富集（QPS-rich）結(jié)構(gòu)域會促進(jìn)凝集體形成，使得FLOE1可以促進(jìn)種子的萌發(fā)，而天冬氨酸和絲氨酸富集（DS-rich）結(jié)構(gòu)域則是抑制凝集體的固態(tài)轉(zhuǎn)變，這種抑制可以控制種子可以在合適的時期進(jìn)行萌發(fā)。FLOE1的相分離特性是由QPS與DS這兩個無序域施加的相反力調(diào)節(jié)的，其能在彌散、液滴和固體凝膠狀態(tài)之間進(jìn)行切換，進(jìn)而調(diào)節(jié)種子萌發(fā)。
此外，生態(tài)基因組數(shù)據(jù)表明FLOE1在整個植物界廣泛存在，其多樣性可能是植物相分離行為表型的驅(qū)動因素，F(xiàn)LOE1的變異參與局部適應(yīng)，調(diào)節(jié)自然種群中相行為、種子休眠與萌發(fā)的變化。面對氣候的多變性，種子需要挑選最合適的時期萌發(fā)，F(xiàn)LOE1的相分離控制種子的萌發(fā)，這對于植物的存活率至關(guān)重要。該團(tuán)隊正在將其應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)，希望能夠抵御氣候變化的影響。
植物基因組猶如一座寶藏，而對未知基因的表征則是大門的鑰匙。技術(shù)的進(jìn)步帶動了科學(xué)研究的發(fā)展，該研究結(jié)合多種技術(shù)手段，提供了一個經(jīng)典的示例。Yanniv Dorone表示，“FLOE1蛋白是首個被鑒定出來的在脫水-水合循環(huán)中進(jìn)行可逆相分離的蛋白質(zhì)，但類似的過程可能也存在于其他有干燥休眠期的生物中，包括一些人類遇到的病原體?！?nbsp;[3]
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