破解世纪难题——李传友研究组首次发现再生因子调控植物组织修复和器官再生

发布时间:2024.05.24     

    在自然界，由各种生物和非生物因子带来的机械胁迫常造成生命体器官和组织的部分甚至完全缺失。应对损伤，无论是植物还是动物均具备组织修复和器官再生的能力。与动物相比，固着生长的植物更容易遭受机械损伤。然而植物在长期的进化过程中形成了令人叹为观止的、动物不可比拟的应对损伤的能力。第一，面对无时不在、不可预期的机械损伤，植物能够快速激活防御反应以避免病虫侵害和伤口感染。第二，面对不同程度的机械损伤，植物能够轻松自如地进行组织修复和器官乃至整个生命体的再生。

    番茄是研究植物受伤反应的经典模式植物。在这一模式系统中，Clarence Ryan教授（1931-2007）于1972年发现了植物对机械损伤和昆虫侵害的系统性防御现象（即植物受伤后不只在受伤部位启动防御反应，而且在植物全身包括未受伤部位启动防御反应）。上世纪90年代初，Ryan教授研究组发现系统素（植物界发现的第一个小肽激素）和茉莉酸通过共同的信号通路调控植物的系统性防御反应，从而建立了植物系统性防御领域的基本工作模型。

    相比而言，人们对损伤引发植物再生的原初信号及其转导机制知之甚少。众所周知，细胞损伤是触发生命体（无论植物还是动物）启动再生程序的原初物理诱因。据此人们推断一定存在一种由细胞损伤诱发的信号分子在组织修复和器官再生过程中发挥重要调控作用。然而自从1740年科学家首次发现再生现象以来，人们对这种信号分子的化学本质却无从知晓。此外，植物的再生能力千差万别并且因基因型不同而异，这极大地制约着转基因和基因编辑等突破性技术在生物育种中的巨大应用潜力。因此，在《Science》杂志创刊125周年之际提出的125个人类未知的重大科学问题中，“是什么调控器官再生”被列为最重要的25个科学问题之一。

    2024年5月22日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友研究组在国际著名学术期刊Cell上发表题为“Peptide REF1 is a local wound signal promoting plant regeneration”的研究论文，首次鉴定到诱发植物再生的原初受伤信号分子——再生因子REF1（REGENERATION FACTOR 1），并系统揭示了REF1调控组织修复和器官再生的信号转导网络，同时证明了REF1在植物转基因、基因编辑领域的巨大应用价值。

    李传友团队长期以番茄为模式用遗传学手段解析由系统素和茉莉酸共同调控的植物系统性防御信号通路。前期通过大规模的遗传筛选获得了一系列系统素信号通路发生变化的spr（suppressor of prosystemin-mediated response）突变体。为了用遗传学手段解析植物再生过程，团队创造性地提出了下述科学理念—植物的受伤反应实际上包括防御和再生两个密不可分而又相互作用的生理过程。基于该理念，推断再生相关的番茄突变体也应该在防御反应方面表现某种程度的缺陷。因此研究首先从分析实验室积累的防御缺陷突变体入手，鉴定到防御和再生两个方面同时发生缺陷的番茄突变体spr9。尤为重要的是，spr9的局部防御反应和系统防御反应都发生缺陷，同时丧失了愈伤组织形成能力和器官再生能力，暗示SPR9在损伤诱发的防御反应和再生反应中均发挥重要作用。

    基因克隆结果表明SPR9编码小肽SlPep（23个氨基酸）的前体蛋白。敲除SPR9使番茄丧失了受伤诱导的愈伤组织形成能力和器官再生能力，而过表达SPR9可显著提高番茄的再生能力。此外，外源施加SPR9编码的小肽也可以显著提高番茄的再生能力。因此将该小肽重新命名为再生因子REF1。

研究证实富含亮氨酸重复序列的受体激酶PORK1（PEPR1/2 ORTHOLOG RECEPTOR-LIKE KINASE 1）是REF1的受体。当植物发生细胞损伤时，REF1作为原初受伤信号分子被受体PORK1识别，并激活下游细胞重编程关键调控因子SlWIND1的表达，进而启动组织修复和器官再生进程。以此同时，SlWIND1还结合到REF1前体基因的启动子区激活其表达，从而产生更多的REF1小肽，放大REF1信号。因此，REF1以“植物细胞因子”的作用方式调控再生过程。

图1：REF1以植物细胞因子的作用方式调控再生过程

    尤为重要的是，再生因子REF1的作用在植物界是保守的。几乎在所有双子叶植物和单子叶植物中都能找到对应的REF1小肽及其受体。外施REF1不仅可以显著提高番茄（包括一些难以转化的野生番茄）的再生能力和遗传转化效率，还可以大幅度提高大豆、小麦和玉米等公认难以转化作物的再生能力和遗传转化效率。相关方法已申请国际PCT专利（No. PCT/EP2023/064285）。

    该研究是对植物受伤反应机理的重要发展，不仅找到了诱发植物再生的原初受伤信号分子REF1，破解了困扰科学界几个世纪的难题，而且为育种实践中解决作物遗传转化效率低、物种和基因型依赖严重等瓶颈问题提供了便捷普适的方案。

    李传友团队博士研究生杨文韬、翟华伟副教授、吴芳明副研究员和邓磊教授为该论文的共同第一作者。李传友研究员和邓磊教授为共同通讯作者。山东农业大学张宪省教授、张大健教授、赵翔宇教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士和高彩霞研究员参与了该研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和泰山番茄创新研究院的资助。