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“是(shi)什么控制著(zhu)器官(guan)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)”，這是(shi)Science雜志(zhi)在(zai)2005年(nian)創刊(kan)(kan)125周年(nian)之(zhi)(zhi)際提出(chu)的(de)(de)125個人類未知的(de)(de)重(zhong)(zhong)大(da)科學(xue)(xue)問題(ti)(ti)中最(zui)重(zhong)(zhong)要的(de)(de)25個科學(xue)(xue)問題(ti)(ti)之(zhi)(zhi)一(yi)。近(jin)日，山東(dong)農業大(da)學(xue)(xue)李(li)傳友教授團隊在(zai)植(zhi)物(wu)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)領域(yu)研究(jiu)取得重(zhong)(zhong)大(da)突破，成功(gong)發現(xian)細胞受傷(shang)而產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)因(yin)子(zi)REF1，是(shi)引發組織修復和器官(guan)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)的(de)(de)原初受傷(shang)信號分子(zi)，在(zai)植(zhi)物(wu)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)中發揮了巨大(da)作用，并在(zai)植(zhi)物(wu)轉基(ji)因(yin)、基(ji)因(yin)編輯(ji)領域(yu)有巨大(da)應用價值。北京(jing)時(shi)間2024年(nian)5月22日，國際頂(ding)尖學(xue)(xue)術期刊(kan)(kan)Cell在(zai)線發布這一(yi)成果。
在大自然(ran)中，無法(fa)移(yi)動的(de)植物，在長期(qi)進化過程中形(xing)成了(le)令人嘆為觀止、動物不可比擬的(de)應(ying)對損(sun)傷的(de)能力，它們(men)不但(dan)能快速(su)激(ji)活防御(yu)(yu)反(fan)應(ying)以抵(di)御(yu)(yu)病蟲侵害，還能輕松自如(ru)進行(xing)組織修復、器官乃至整個生(sheng)命體的(de)再生(sheng)。
20世紀70年(nian)(nian)代(dai)，著名美(mei)國學(xue)者(zhe)Clarence Ryan教授，在(zai)模式植(zhi)物(wu)番茄中，發現了(le)植(zhi)物(wu)對機(ji)械損傷(shang)的系(xi)統性(xing)防御(yu)現象，并發現小肽信號(hao)(hao)(hao)系(xi)統素和植(zhi)物(wu)激素茉莉酸通過共(gong)同的信號(hao)(hao)(hao)通路來(lai)調控植(zhi)物(wu)的系(xi)統性(xing)防御(yu)反應。接下來(lai)幾十(shi)年(nian)(nian)，對植(zhi)物(wu)這種積極系(xi)統性(xing)防御(yu)的信號(hao)(hao)(hao)轉導過程，科學(xue)家們開展了(le)大量研究，對其信號(hao)(hao)(hao)轉導機(ji)理有了(le)深入認識，但對于植(zhi)物(wu)損傷(shang)修(xiu)復和器官(guan)再(zai)生的機(ji)理卻(que)所知甚(shen)少。
眾所周知，細胞(bao)損(sun)傷是觸發(fa)生命體(無論植物還是動物)啟動再生程序(xu)的原初物理誘因(yin)。據此(ci)人們推斷一定存在一種由細胞(bao)損(sun)傷誘發(fa)的信號分子(zi)在再生過(guo)程中發(fa)揮重(zhong)要調(diao)控作用，但對(dui)這(zhe)種信號分子(zi)的化學本質(zhi)卻無從知曉。
李傳(chuan)友(you)團隊(dui)長(chang)期以番茄為(wei)模式(shi)，用遺(yi)傳(chuan)學手段解析由(you)系統素和茉莉(li)酸共(gong)同調控的植物(wu)系統性防(fang)御信號(hao)通路(lu)。深耕收獲，團隊(dui)獲得了(le)一系列系統素信號(hao)通路(lu)發生(sheng)變化的番茄突變體，幾年前又從中鑒(jian)定到在防(fang)御和再生(sheng)方面同時表(biao)現缺陷的突變體spr9。
進(jin)一步的(de)(de)(de)基因克隆結果表(biao)明，SPR9編碼小肽(tai)SlPep(23個氨(an)基酸(suan))的(de)(de)(de)前體(ti)蛋白(bai)。敲除SPR9會(hui)使番(fan)茄喪失(shi)受傷誘(you)導的(de)(de)(de)愈(yu)傷組織形成能力(li)(li)和器官再生(sheng)能力(li)(li)，而(er)過量表(biao)達SPR9則可(ke)顯(xian)著(zhu)提(ti)高番(fan)茄的(de)(de)(de)再生(sheng)能力(li)(li)。此外，外源(yuan)施加(jia)SPR9編碼的(de)(de)(de)小肽(tai)可(ke)以顯(xian)著(zhu)提(ti)高番(fan)茄的(de)(de)(de)再生(sheng)能力(li)(li)，因此團隊將該小肽(tai)重新命名(ming)為再生(sheng)因子REF1。
研究(jiu)證實，富含亮(liang)氨酸重復序(xu)列(lie)的(de)(de)受(shou)體激酶PORK1是REF1的(de)(de)受(shou)體。當植(zhi)物(wu)(wu)發生(sheng)細胞(bao)損傷時，REF1作為(wei)原初受(shou)傷信(xin)號(hao)分子被受(shou)體PORK1識別，并轉錄激活下游細胞(bao)重編程(cheng)(cheng)關鍵調控(kong)因(yin)子SlWIND1，進而啟動植(zhi)物(wu)(wu)的(de)(de)組織修(xiu)復和器官(guan)再(zai)生(sheng)進程(cheng)(cheng)。與此同時，SlWIND1還結(jie)合到(dao)REF1前體基因(yin)的(de)(de)啟動子區激活其(qi)表(biao)達(da)，從而產生(sheng)更多的(de)(de)REF1小肽，放大REF1信(xin)號(hao)。這些(xie)表(biao)明，REF1以類(lei)似于模(mo)式動物(wu)(wu)中(zhong)“細胞(bao)因(yin)子”的(de)(de)作用方式調控(kong)植(zhi)物(wu)(wu)的(de)(de)再(zai)生(sheng)過程(cheng)(cheng)。
尤(you)為重(zhong)要的是，他們發現(xian)，REF1的作用(yong)在(zai)植(zhi)物界是保守的，幾乎在(zai)所(suo)有雙子(zi)葉植(zhi)物和(he)單子(zi)葉植(zhi)物中都(dou)能(neng)找到(dao)對應(ying)的REF1小(xiao)肽及其受體(ti)。外(wai)施REF1不(bu)僅可以顯著提(ti)(ti)高番茄(包(bao)括一些難以轉(zhuan)化的野生(sheng)番茄)的再生(sheng)能(neng)力和(he)遺傳(chuan)轉(zhuan)化效(xiao)率，還可以將(jiang)學(xue)界公認難以轉(zhuan)化的大豆、小(xiao)麥和(he)玉米等作物的再生(sheng)能(neng)力提(ti)(ti)高6~9倍，遺傳(chuan)轉(zhuan)化效(xiao)率提(ti)(ti)高4~5倍。
相(xiang)關(guan)方(fang)法目前(qian)已申(shen)請國(guo)際PCT專(zhuan)利。
在該項研究(jiu)中，李傳(chuan)友團隊創造性(xing)地提出了(le)防御和再(zai)(zai)生是植(zhi)物受傷反應的兩個密(mi)不可分的方面的全新理念。他們不僅找(zhao)到了(le)誘發(fa)植(zhi)物再(zai)(zai)生的原初受傷信號(hao)分子REF1，破(po)解了(le)困(kun)擾科學界幾個世(shi)紀的難題，而且為(wei)生物育種中解決作(zuo)物遺傳(chuan)轉(zhuan)化效率低、基因型依賴嚴(yan)重等瓶頸問題提供了(le)便捷(jie)普適的方案。
中國(guo)科學(xue)院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)士許智(zhi)宏認(ren)為， 植物(wu)(wu)再生因子REF1的發現，對于植物(wu)(wu)如何(he)識別損傷刺激并(bing)啟(qi)動組織修復和(he)器官再生過程這一(yi)植物(wu)(wu)生命科學(xue)領(ling)域長(chang)期懸(xuan)而未決的問(wen)題，是一(yi)重大進展，屬(shu)于生命科學(xue)領(ling)域的標志性成果。
中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)士種康(kang)評價道，該(gai)研(yan)究對細胞分化與再生領域的基礎(chu)科(ke)(ke)學(xue)研(yan)究和生物技術應用都具有突破性意義。植物再生因(yin)子REF1的發現和利用，對我國(guo)用好(hao)基因(yin)編(bian)輯這(zhe)把(ba)劍打贏種業翻身(shen)仗、加快(kuai)國(guo)家生物育種產(chan)業化步伐(fa)意義重大。
該研(yan)(yan)究(jiu)也是山(shan)(shan)(shan)(shan)東(dong)省高校以通(tong)訊(xun)(xun)作(zuo)者單(dan)位發表的(de)首篇植(zhi)物科學(xue)(xue)領域的(de)Cell論文。李(li)傳(chuan)友(you)團隊的(de)中國(guo)科學(xue)(xue)院(yuan)(yuan)遺傳(chuan)與(yu)(yu)發育生物學(xue)(xue)研(yan)(yan)究(jiu)所博士(shi)生楊文韜、山(shan)(shan)(shan)(shan)東(dong)農業大(da)(da)學(xue)(xue)翟華(hua)偉副(fu)(fu)教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)、中國(guo)科學(xue)(xue)院(yuan)(yuan)遺傳(chuan)與(yu)(yu)發育生物學(xue)(xue)研(yan)(yan)究(jiu)所吳芳明副(fu)(fu)研(yan)(yan)究(jiu)員和山(shan)(shan)(shan)(shan)東(dong)農業大(da)(da)學(xue)(xue)鄧(deng)磊(lei)教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)為論文共同第(di)一作(zuo)者。李(li)傳(chuan)友(you)教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)和鄧(deng)磊(lei)教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)為共同通(tong)訊(xun)(xun)作(zuo)者。山(shan)(shan)(shan)(shan)東(dong)農業大(da)(da)學(xue)(xue)張憲省教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)、趙翔宇教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)、張大(da)(da)健教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)(shou)，中國(guo)科學(xue)(xue)院(yuan)(yuan)遺傳(chuan)與(yu)(yu)發育生物學(xue)(xue)研(yan)(yan)究(jiu)所李(li)家(jia)洋院(yuan)(yuan)士(shi)、高彩霞(xia)研(yan)(yan)究(jiu)員等參與(yu)(yu)研(yan)(yan)究(jiu)。本(ben)研(yan)(yan)究(jiu)得到(dao)了國(guo)家(jia)自然(ran)科學(xue)(xue)基金(jin)、國(guo)家(jia)重點研(yan)(yan)發計劃(hua)和泰(tai)山(shan)(shan)(shan)(shan)番茄創新研(yan)(yan)究(jiu)院(yuan)(yuan)的(de)資助。
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