朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2017年第11期第15頁(yè)）

5 植物從單倍體變二倍體的基因調(diào)控

上述介紹的，是植物從單倍體到二倍體的轉(zhuǎn)變歷程，是植物為“改正錯(cuò)誤”而作出的“漫長(zhǎng)努力”（其實(shí)還是隨機(jī)突變加自然選擇）。如果從基因調(diào)控的角度審視植物的這個(gè)轉(zhuǎn)化歷程，就會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這些步驟非常不易。植物要從最初的單倍體變?yōu)楹髞淼亩扼w，有3個(gè)關(guān)鍵的問題必須解決。第1個(gè)是使受精卵不立即進(jìn)行減數(shù)分裂，而是像動(dòng)物那樣延遲（在生殖細(xì)胞中）或者取消（在體細(xì)胞中），并且代之以有絲分裂，形成多個(gè)二倍體的細(xì)胞，這樣才有建造二倍體身體的材料。第2個(gè)是有了許多二倍體的細(xì)胞后，還需要有將這些細(xì)胞組建成二倍體身體的發(fā)育程序，這樣二倍體世代才能擁有自己的形態(tài)結(jié)構(gòu)。第3個(gè)是即使有了為二倍體植株發(fā)育的程序，由于為單倍體發(fā)育的程序仍然存在（基因仍然在那里，在單倍體植株的發(fā)育中就會(huì)被采用），植物還必須有機(jī)制控制二倍體只使用自己的發(fā)育程序，而不采用單倍體植株的發(fā)育程序。下文分別介紹對(duì)這3個(gè)問題的研究狀況。

5.1 是進(jìn)行有絲分裂還是進(jìn)行減數(shù)分裂？

想知道最初植物的受精卵是如何以有絲分裂取代減數(shù)分裂的，就需要知道有絲分裂和減數(shù)分裂控制機(jī)制的差別，而這是一個(gè)相當(dāng)困難的任務(wù)，到現(xiàn)在還沒有答案。有絲分裂和減數(shù)分裂的基本過程相同，都是通過紡錘體中的微管將染色體拉到2個(gè)子細(xì)胞中去，故減數(shù)分裂其實(shí)也是廣義上的有絲分裂，只是要進(jìn)行2輪細(xì)胞分裂，且染色體分離的方式不同。有絲分裂和減數(shù)分裂的基本機(jī)制相同的證據(jù)是：無論是在植物中還是在動(dòng)物中，這2個(gè)細(xì)胞分裂過程都是被MPF的蛋白復(fù)合物驅(qū)動(dòng)的。MPF由2個(gè)亞基組成：一個(gè)是細(xì)胞周期素（cyclin），另一個(gè)是依賴于細(xì)胞周期素的蛋白激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）。在有絲分裂或減數(shù)分裂開始前，CDK不與細(xì)胞周期素結(jié)合，沒有活性。在細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂或減數(shù)分裂時(shí)，CDK磷酸化的狀態(tài)改變，結(jié)合細(xì)胞周期素，形成具有活性的蛋白復(fù)合物，其CDK激酶的活性使細(xì)胞分裂所需要的蛋白因子磷酸化，啟動(dòng)有絲分裂或減數(shù)分裂。

MPF是在1971年被2個(gè)美國(guó)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的。孕酮（progesterone）能激活青蛙的卵母細(xì)胞（oocyte），使其進(jìn)入可以受精的狀態(tài)，稱為卵母細(xì)胞的成熟（maturation），故起作用的因子被稱為成熟激活因子（maturation promoting factor，MPF）。 此過程需要卵母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂，MPF也可以代表meiosis promoting factor。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，MPF的活性在體細(xì)胞中也存在，讓體細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂期，即M期，所以MPF又可以代表M phase promoting factor或者 mitosis promoting factor。類似的MPF復(fù)合物后來也在植物中被發(fā)現(xiàn)。有絲分裂和減數(shù)分裂都由MPF啟動(dòng)的事實(shí)說明，這2個(gè)細(xì)胞分裂的基本過程是高度重合的。

MPF被激活時(shí)，細(xì)胞是進(jìn)行有絲分裂，還是進(jìn)行減數(shù)分裂，一定有相應(yīng)的控制機(jī)制，但到目前為止，這個(gè)控制機(jī)制還沒有找到。減數(shù)分裂是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，例如小鼠的精母細(xì)胞（spermatocyte）變?yōu)榫?xì)胞（spermatid）時(shí)，有大約 60%的基因（12 776個(gè)）的表達(dá)發(fā)生變化。要從如此眾多的基因表達(dá)變化中找出負(fù)責(zé)決定減數(shù)分裂的基因相當(dāng)困難。

不僅如此，減數(shù)分裂還分為幾個(gè)階段，每個(gè)階段都有控制機(jī)制。例如女嬰在出生時(shí)，卵巢中已有初級(jí)卵母細(xì)胞（primary oocyte）。這些初級(jí)卵母細(xì)胞是四倍體的，說明卵母細(xì)胞（oocyte）已進(jìn)入減數(shù)分裂的程序，完成了DNA的復(fù)制，但是停止在第1輪減數(shù)分裂前。到了青春期，在排卵前36～48 h，初級(jí)卵母細(xì)胞才進(jìn)行第1輪減數(shù)分裂，形成次級(jí)卵母細(xì)胞（secondary oocyte）。卵巢排出的卵實(shí)際上是尚未完成減數(shù)分裂的次級(jí)卵母細(xì)胞。進(jìn)入輸卵管之后，次級(jí)卵母細(xì)胞才進(jìn)行第2輪減數(shù)分裂，形成單倍體的卵細(xì)胞。因此整個(gè)減數(shù)分裂的過程可在DNA復(fù)制后和第1次減數(shù)分裂后停止，后面的步驟可延遲啟動(dòng)，說明減數(shù)分裂的啟動(dòng)（DNA復(fù)制）、第1輪減數(shù)分裂和第2輪減數(shù)分裂都各有控制機(jī)制，使得對(duì)整個(gè)減數(shù)分裂控制機(jī)制的研究變得非常困難。

5.2 控制植物二倍體結(jié)構(gòu)發(fā)育的基因 植物從單倍體變?yōu)槎扼w要解決的第2個(gè)和第3個(gè)問題分別是要形成二倍體身體發(fā)育的程序和強(qiáng)制二倍體細(xì)胞采用這個(gè)程序的機(jī)制。苔蘚植物的配子體是單倍體的，像多細(xì)胞的綠藻一樣，已經(jīng)有發(fā)育成單倍體植株的程序，讓單倍體細(xì)胞長(zhǎng)出有類似根、莖、葉結(jié)構(gòu)的植物體，有葉綠體，可進(jìn)行光合作用而獨(dú)立生活。在受精卵延遲進(jìn)行減數(shù)分裂，代之以有絲分裂，產(chǎn)生大量的二倍體細(xì)胞后，就面臨如何將這些二倍體細(xì)胞組成一個(gè)新植物體的問題。由于這樣的二倍體植株以前沒有存在過，這就要求苔蘚植物發(fā)展出新的建造身體的藍(lán)圖，而且在新的藍(lán)圖發(fā)展出來以后，還必須要有機(jī)制避免二倍體細(xì)胞再采用單倍體植株的藍(lán)圖。這2個(gè)任務(wù)是彼此相連的：沒有發(fā)育出二倍體植株的藍(lán)圖，二倍體的細(xì)胞無法形成有用的結(jié)構(gòu)；而沒有制止植物向單倍體結(jié)構(gòu)方向發(fā)展的機(jī)制，這樣的新藍(lán)圖即使發(fā)展出來也不能保證被二倍體的細(xì)胞所使用。

苔蘚植物二倍體發(fā)展的藍(lán)圖（即形成孢子囊和支撐孢子囊的梗）是如何形成的，現(xiàn)在還不得而知，估計(jì)這是一個(gè)不斷嘗試的過程。一開始也許是受精卵原地進(jìn)行有絲分裂，產(chǎn)生大量的二倍體細(xì)胞，這些二倍體的細(xì)胞再進(jìn)行減數(shù)分裂，產(chǎn)生單倍體的孢子。比起受精卵直接進(jìn)行減數(shù)分裂，這種延遲的減數(shù)分裂已經(jīng)是一個(gè)巨大的進(jìn)步，可增加孢子的數(shù)量和增加孢子遺傳物質(zhì)的多樣性。如果一些二倍體細(xì)胞能聚合形成桿狀結(jié)構(gòu)，位于桿端的細(xì)胞就可以從配子體上伸出，由這些細(xì)胞產(chǎn)生的孢子就可以從配子體植株的上面，即從較高的位置散發(fā)孢子，使孢子有更好的機(jī)會(huì)被傳播到較遠(yuǎn)的地方，增加植物繁殖后代的機(jī)會(huì)。如果在桿狀結(jié)構(gòu)的頂端形成孢子囊，二倍體細(xì)胞就會(huì)形成梗、孢子囊壁，以及孢子囊內(nèi)部負(fù)責(zé)進(jìn)行減數(shù)分裂形成孢子的組織，這就是最初的孢子體，但是形成這樣的孢子體的分子控制機(jī)制尚不清楚。

在二倍體發(fā)育的程序形成后，二倍體細(xì)胞是如何采用該程序避免發(fā)育成單倍體的配子體結(jié)構(gòu)的，現(xiàn)已有一些有趣的初步研究結(jié)果。苔蘚植物中的小立碗蘚（Physcomitrella patens），和其他苔蘚植物一樣，配子體和孢子體有不同的結(jié)構(gòu)。配子體是有“葉片”和假根的植株，而孢子體沒有“葉片”和假根，只是梗上的孢子囊。當(dāng)KNOX2蛋白的基因突變后，二倍體的細(xì)胞就會(huì)發(fā)育出配子體的形狀，即長(zhǎng)出 “葉片”和假根，而不是形成孢子囊的結(jié)構(gòu)。這說明小立碗蘚的二倍體細(xì)胞也可采用單倍體配子體身體的發(fā)展藍(lán)圖，而KNOX2蛋白的作用就是防止二倍體采用單倍體配子體的身體發(fā)育程序，而向形成孢子囊的方向發(fā)展。檢查KNOX2基因的表達(dá)狀況，發(fā)現(xiàn)它只表達(dá)于受精卵和孢子體中，而不表達(dá)在配子體中，說明KNOX2蛋白為二倍體的身體發(fā)育所必需。

KNOX2蛋白并非單獨(dú)起作用，而是與一個(gè)BELL蛋白結(jié)合，形成異質(zhì)二聚體，二聚體的形成使得KNOX2/BELL蛋白進(jìn)入細(xì)胞核，結(jié)合于DNA上，發(fā)揮它們的調(diào)節(jié)功能，啟動(dòng)二倍體的發(fā)育程序。對(duì)KNOX2蛋白和BELL蛋白的研究表明，它們都含有一個(gè)由63個(gè)氨基酸殘基組成的DNA結(jié)合域，這個(gè)DNA結(jié)合域與由60個(gè)氨基酸殘基組成的“同源異形域”蛋白（homeodomain proteins）的DNA結(jié)合域基本相同，只是中間有3個(gè)氨基酸殘基的插入，故被稱為TALE（three amino acid extension）蛋白。

同源異形域蛋白是一類非常重要的蛋白，在生物體結(jié)構(gòu)的發(fā)育中起關(guān)鍵的控制作用。它們有些像“包工隊(duì)”的隊(duì)長(zhǎng)，一旦將任務(wù)交給它們，它們就能動(dòng)員相關(guān)基因完成該結(jié)構(gòu)的建造。最著名的例子就是果蠅的antennapedia基因，它是負(fù)責(zé)形成果蠅腿的“包工隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)”。若該基因發(fā)生突變，原來應(yīng)長(zhǎng)腿的地方就會(huì)被長(zhǎng)觸角的程序所取代而長(zhǎng)出觸角。若在原來應(yīng)長(zhǎng)觸角的地方活化該基因，則在原來應(yīng)長(zhǎng)觸角的地方會(huì)長(zhǎng)出腿。Homeo-這個(gè)前綴來自果蠅由于基因突變引起身體結(jié)構(gòu)的變化，英文叫Homeosis，意思就是某個(gè)這樣的基因發(fā)生突變，身體的一部分就會(huì)被另一部分取代而導(dǎo)致身體異形，在中文中被譯為“同源異形”。為同源異形域（60個(gè)氨基酸殘基）編碼的DNA序列（180堿基對(duì)）被稱為同源異形盒（homeobox），因此同源異形盒基因也被稱為homeobox gene，簡(jiǎn)稱Hox基因。上述談及的TALE蛋白的基因也含有同源異形盒，只是多出了為3個(gè)額外的氨基酸殘基編碼的DNA序列 （9個(gè)堿基對(duì)），所以是Hox基因的近親，與Hox基因一起控制生物身體結(jié)構(gòu)的形成。

KNOX2基因是在1991年從一個(gè)玉米的突變種中提取到的，因?yàn)橥蛔兎N玉米的葉子呈結(jié)節(jié)樣（knotted）變形，突變的基因也被稱為KNOX，是KNOTTED-like TALE homeobox gene的簡(jiǎn)稱。由于同源異形盒基因在動(dòng)物的身體發(fā)育過程起非常重要的調(diào)控作用，在植物中同源異形盒基因KNOX的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家廣泛的興趣，掀起了研究植物同源異形盒基因的熱潮。

研究發(fā)現(xiàn)，植物中TALE蛋白的歷史非常悠久。單倍體的衣藻（Chlamydomonas，一種單細(xì)胞的綠藻）在環(huán)境不利（例如營(yíng)養(yǎng)缺乏）時(shí)進(jìn)行有性生殖。細(xì)胞先進(jìn)行有絲分裂，形成配子（gamete）。配子分正（plus）、負(fù)（minus）2 種，它們彼此融合，形成二倍體的受精卵（合子），受精卵再發(fā)育成為能抵抗惡劣環(huán)境的孢子，以等待適宜的生活環(huán)境。這就需要啟動(dòng)為形成孢子壁的建造所需要的蛋白質(zhì)的基因。所以即使是在單細(xì)胞的衣藻中，單倍體細(xì)胞和二倍體細(xì)胞也有不同的“身體”結(jié)構(gòu)。受精卵啟動(dòng)二倍體的發(fā)育程序形成孢子，是由TALE蛋白控制的。

衣藻的正配子表達(dá)Gsp1（Gamete-specific plus 1）蛋白，負(fù)配子表達(dá) Gsm1（Gamete-specific minus 1）蛋白。正、負(fù)配子融合后，Gsp1蛋白與Gsm1蛋白結(jié)合，進(jìn)入細(xì)胞核，啟動(dòng)受精卵形成孢子的程序。若在負(fù)配子中也表達(dá)Gsp1，負(fù)配子就會(huì)向形成孢子的方向變化，表達(dá)為孢子壁形成所需糖蛋白的基因，說明Gsp1/Gsm1二聚體能使細(xì)胞向形成孢子的方向發(fā)展，無論細(xì)胞是單倍體的還是二倍體的。

比較Gsp1、Gsm1的氨基酸序列與其他TALE蛋白的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)Gsp1相當(dāng)于BELL蛋白，而Gsm1相當(dāng)于KNOX蛋白，這說明KNOX/BELL類型的二聚體在單細(xì)胞的衣藻中就已經(jīng)存在，并在二倍體細(xì)胞的發(fā)育方向上起作用，而且Gsm1/Gsp1異質(zhì)二聚體的工作方式也與KNOX/BELL二聚體相同，都是形成二聚體后才進(jìn)入細(xì)胞核與DNA結(jié)合。

綠藻只有1個(gè)KNOX基因，而在植物中，KNOX基因被復(fù)制，形成2個(gè)KNOX基因，分別稱為KNOX1和KNOX2。在被子植物中，KNOX1蛋白存在于分生組織的細(xì)胞內(nèi)，維持分生組織不斷進(jìn)行細(xì)胞分裂的能力，它與KNOX2蛋白一起，使植物形成莖、葉等二倍體組織。KNOX基因在配子體（胚珠和花粉囊）中沒有表達(dá)，說明在高等植物中，KNOX基因仍然控制著二倍體植株形態(tài)的形成。

在動(dòng)物中，單倍體的精子和卵子也有不同于體細(xì)胞的發(fā)展路線，例如精子必須長(zhǎng)出鞭毛，濃縮和包裝DNA，在鞭毛的根部包裹上許多線粒體等；卵子體積增大，直徑可以達(dá)到100 μm，外面包有由糖蛋白組成的透明帶（zona pellucida），其作用是結(jié)合同種動(dòng)物的精子，并啟動(dòng)精子進(jìn)入卵子的過程，因此單倍體的卵細(xì)胞必須表達(dá)為透明帶蛋白編碼的基因。這說明動(dòng)物單倍體的細(xì)胞和二倍體的細(xì)胞各有不同的發(fā)育藍(lán)圖，雖然這些藍(lán)圖所需要的基因在單倍體的細(xì)胞和二倍體的細(xì)胞中都存在。一個(gè)有趣的情形是一些昆蟲例如螞蟻，卵細(xì)胞在沒有受精的情況下也可進(jìn)行有絲分裂，發(fā)育成為單倍體的雄性螞蟻，而受精卵則發(fā)育成為雌性的螞蟻（工蟻和蟻后）。這說明單倍體的細(xì)胞（卵子）也可采用二倍體細(xì)胞的身體發(fā)育程序，發(fā)育成為二倍體動(dòng)物，所以這些昆蟲一定擁有改換發(fā)育程序的機(jī)制。

這些例子都說明，無論是動(dòng)物還是植物，單倍體的細(xì)胞和二倍體的細(xì)胞各有發(fā)展藍(lán)圖，形成不同的結(jié)構(gòu)。由于所有這些細(xì)胞都同時(shí)含有2種藍(lán)圖的基因，每種細(xì)胞一定有某種機(jī)制，只選擇適合自己功能的發(fā)展藍(lán)圖。如果調(diào)控機(jī)制發(fā)生變化，同一種細(xì)胞也可以采用另一個(gè)發(fā)展藍(lán)圖。在植物中，二倍體藍(lán)圖的選擇是由KNOX基因控制的。

6 小結(jié)

從綠藻的單倍體生命，到苔蘚植物以單倍體的配子體為主的生命，到蕨類植物以二倍體為主的孢子體生命，再到二倍體種子植物（包括裸子植物和被子植物）中單倍體的配子體被孢子體“收容”，而且高度退化，植物的生活方式越來越像動(dòng)物。從表面上看，動(dòng)物和種子植物都是二倍體的生物體產(chǎn)生二倍體的下一代，植物單倍體的配子體幾乎退化干凈，而且隱藏在胚珠和花粉之中。這說明二倍體的遺傳物質(zhì)構(gòu)成更加適應(yīng)復(fù)雜生物體的需要，所以動(dòng)物和植物雖然開始時(shí)不同，動(dòng)物是二倍體，植物是單倍體，但是后來它們殊途同歸，最后都采用了二倍體的生活方式。

之所以植物的配子體還沒有完全退化干凈，不能像動(dòng)物那樣只產(chǎn)生單倍體的精子和卵子，完全取消世代交替，是因?yàn)橹参锊荒苓\(yùn)動(dòng)，無法像動(dòng)物那樣通過性交將精子送到卵子處，陸生植物的精子必須通過風(fēng)力或者動(dòng)物傳播，而裸露的精子是無法在這樣的條件下生存的，必須有保護(hù)和萌發(fā)的結(jié)構(gòu)，這就是花粉，即殘存的雄配子體。陸生動(dòng)物的卵子是深藏體內(nèi)而裸露的，精子通過在生殖道中長(zhǎng)途游泳可以直接到達(dá)卵子處，而陸生植物的卵子卻不能長(zhǎng)時(shí)間裸露，否則會(huì)失水，所以植物的卵子是藏在胚珠內(nèi)的，精子只能通過花粉管的延長(zhǎng)到達(dá)卵子，這就使得植物必須有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精子和卵子的相遇，這就是胚珠的作用。胚珠內(nèi)的單倍體結(jié)構(gòu)就是殘存的雌配子體。

（完）