果實是如何一步步發育成愛你的形狀——心形

Current Biology | 董陽博士等揭示果實形狀調控的新機制

植物在適應不同的生態環境過程中進化出多樣的果實形狀來進行有效的種子傳播。十字花科植物的果莢形狀非常多樣，比如擬南芥屬（Arabidopsis）的圓柱形果莢，獨行菜屬（Lepidium）的盤形果莢等等（Łangowski et al., 2016）。其中，薺菜屬（Capsella）的果實形狀尤為特殊，具有心形果莢，從而為研究果實形狀的調控提供了一個很好的材料。

2020年8月13日，英國約翰-英納斯研究中心（John Innes Centre）的Lars Østergaard研究組在Current Biology在線發表了題為HEARTBREAK Controls Post-translational Modification of INDEHISCENT to Regulate Fruit Morphology in Capsella的研究論文，揭示了蛋白質翻譯後修飾在果實形狀形態建成過程中的機制。

作者通過對EMS誘變群體的篩選，發現了一個心形果實發育嚴重缺陷的突變體並將其命名為heartbreak (htb) 。活細胞成像顯示，htb突變影響了果實細胞的極性生長，從而影響了心形果實的形態建成。

通過克隆，作者發現該突變表型的控制基因編碼一個SUMO蛋白酶，介導蛋白質的去SUMO化。的確，作者發現在htb突變體中被SUMO化的蛋白明顯增多，在花序和幼果中差異尤其明顯。通過比較轉錄組分析，作者找到了一些在htb突變體果實形狀建立早期發生表達變化的基因，其中一類基因是參與生長素響應的，暗示HTB可能通過影響生長素的信號轉導來調控果實形狀發育。無獨有偶，作者之前的工作表明生長素在果實中的極性的分布對調控心形果實的形成至關重要，這種極性是由bHLH轉錄因子INDEHISCENT (CrIND)來控制的，CrIND通過直接激活生長素合成通路的關鍵酶（CrTAA1和CrYUC9）控制了生長素在果實中的極性合成（Dong et al., 2019）。一系列遺傳學實驗和基因表達分析表明HTB和CrIND在同一條通路發揮作用調控果實形狀。那麼最關鍵的問題即是HTB是否控制CrIND的SUMO化從而調節CrIND的穩定性或者活性？

首先，作者發現在htb突變體背景下IND明顯被SUMO化。為了進一步回答CrIND被SUMO化的意義，作者很有創意地將CrIND蛋白中被預測為SUMO化位點的胺基酸殘基突變成不能被SUMO化但性質相同的胺基酸（K124R）。很有意思的是，作者發現突變形式的CrINDK124R能夠非常有效地恢復htb突變體心形果實缺陷的表型而野生型的CrIND卻不能恢復。進一步生化實驗表明在htb背景下CrIND的蛋白豐度顯著降低，而CrINDK124R豐度不受影響，有力地證明了HTB通過控制CrIND的SUMO化調節其穩定性從而控制生長素極性的建立和促進細胞的極性生長並最終調控薺菜心形果實的發育（Dong and Østergaard, 2019）。

該研究首次揭示了蛋白質層面的調控對果實形狀發育的影響，很好地證明了SUMO化這種廣泛的蛋白翻譯後修飾如何調控一個重要的性狀，同時也說明蛋白質水平的修飾和功能變異可能是創新進化性狀產生的重要機制。

據悉，約翰-英納斯研究中心Lars Østergaard研究組的董陽博士為該論文的第一作者，Lars Østergaard為通訊作者。來自瑞典農業科學大學（Swedish University of Agricultural Sciences），斯德哥爾摩大學（Stockholm University）和英國杜倫大學（Durham University）的研究人員也參與了該研究的合作。

參考文獻：

Łangowski et al. 2016. Plant Reprod 29, 149-163.

Dong et al. 2019. Curr Biol 29, 1038-1046.

Dong and Østergaard 2019. Curr Biol 29, R775–R789.

論文連結：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)31080-0

董陽博士研究組招聘博士後2名

董陽博士計劃於2020年9月入職中國科學院植物研究所，研究組將從事十字花科果實形狀多樣化的分子機制研究。因工作需要，現公開招聘兩名博士後研究員（一名需要有較強的發育生物學或進化發育生物學背景，另外一名需要有基因組進化和生物信息學背景）。研究組也歡迎對果實形狀進化機制感興趣的同學申請博士。