近日，著名期刊Nature Plants 在线报道了香港中文大学钟思林课题组关于11种不同水果成熟趋同进化的题为 “Genome encode analyses reveal the basis of convergent evolution of fleshy fruit ripening”的研究论文。
尽管许多水果基因组已被测序，但科学家们仍然不知道植物是怎么进化出如此多类型的果实的。不同果实之间差异虽然巨大, 但是果实成熟背后的基因并不是果实植物特有的，如番茄果实变软需要的水解果胶酶，番茄红素合成酶等这些在成熟果实中高度特异表达的基因，在其他开花植物基因组如拟南芥中也存在。所以促使不同果实形成的关键信息并不在能编码蛋白的基因区里，而在那些非蛋白编码区里(non-coding region)。那么就是说测再多物种的基因组也不能解决这个问题，只有了解这些基因在各个物种中如何被调控，我们才能明白果实进化的分子机制。
香港中文大学的植物功能基因组学研究团队，采用人类ENCODE计划的方法获取了11种肉质果实的各种功能基因组数据，包括361组基因表达数据 (RNA-Seq)，45组全基因组DNA甲基化图谱 (BS-Seq)，147组各种组蛋白修饰数据 (histone ChIP-Seq)，71组全基因组开放染色质区域图谱 (DNase-Seq)，以及与DNA相互作用的关键蛋白质的结合位点数据 (TF ChIP-Seq)。通过比较这些水果基因组中的非编码调控元件，研究人员发现了三种调节果实成熟的回路，即MADS-type，NAC-type 和dual-loop type (图1)。它们是呼吸跃变果实进化的关键。
双子叶中的番茄，苹果和梨这些在近代经历了全基因组复制的物种，他们控制成熟的关键基因是全基因组复制后多出的成花相关的MADS家族基因。在番茄里， MADS转录因子RIN和TAGL1可以直接结合在乙烯合成基因ACS2 和ACO1的启动子区，激活它们的表达，并产生乙烯，而乙烯又可以反过来稳定乙烯信号传导转录因子EIN3蛋白，EIN3蛋白重新耦合到MADS-RIN基因的启动子区，形成一个正反馈环(positive feedback loop). 这个环造成了呼吸跃变果实中的自催化乙烯合成，而且直接调控果实成熟相关的下游基因，如使果实变软，颜色发生变化等基因。
而那些没有经历过全基因组复制的双子叶物种，如桃，木瓜和甜瓜，其果实成熟受到carpel senescence 的NAC家族基因调控，同样形成一个正反馈环。而对于大约在100-1.6亿年前，才从双子叶分化而来的也经历多次基因组重复事件的单子叶植物香蕉，则同时具备MADS 和NAC-type loop。这个特异的双正反馈环结构使得香蕉可以在成熟开始后变得对乙烯抑制剂不敏感。
乙烯是一种植物逆境胁迫响应激素，如果这3种正反馈环在植物非成熟果实组织里不受到抑制，植物就会合成大量乙烯，造成細胞凋亡或植物衰老。该团队曾经在2013年Nature Biotechnology 发文阐述了番茄发育成熟时发生了全基组DNA去甲基化。去甲基化的位置和调控成熟的转录因子MADS-RIN的结合位点相关。所以当时他们推测去甲基化是抑制成熟基因的一个重要的发育开关(developmental switch)。但是在对比11种果实的45组全基因组DNA甲基化图谱后，他们现只有番茄果实里出现了全基因组DNA去甲基化。而局部的DNA甲基化变化在每个物种的果实发育都存在，它们和染色质开合(chromatin accessibility)高度相关。但是这些甲基化变化在11种果实里并不保守。
虽然DNA甲基化变化不保守，他们发现在所有果实里，H3K27me3在限制成熟基因表达方面却发挥了相当保守的作用。 H3K27me3是一种抑制性组蛋白修饰，不管在动物还是植物中都发现它与关键发育基因的沉默相关。对植物而言，使用一个相对稳定的表观遗传标记如DNA甲基化或H3K27me3来抑制果实成熟的乙烯正反馈环有明显的进化优势。
FruitENCODE项目还包含4种对乙烯不敏感的非呼吸跃变果实（西瓜，草莓，黄瓜，葡萄）以及拟南芥和水稻等dry fruit植物。它们也有调控果实成熟基因的同源基因。如番茄和桃子成熟所需的MADS和NAC的同源基因在双子叶植物的花器官里表达，而香蕉的果实成熟NAC的同源基因则在水稻衰老叶片中表达。虽然它们没有进化出需要乙烯的呼吸跃变果实，它们的同源基因也有组织特异的H3K27me3标记。这说明在进化过程中，番茄，香蕉等水果不仅继承并改进了其祖先被子植物的genetic pathway，还沿用了它们的表观遗传标记(epigenetic pathway)来控制成熟。
Max-Planck的Alisdair Fernie教授也在同期杂志评论了这篇文章，他们写道，这项史诗般的研究描绘了不同水果和干果成熟的蓝图，并就果实的成熟调控机制提出了史无前例的观点。与所有系统生物学研究一样，它同时也提出了一些超出其工作范围的重要问题。 例如， DNA甲基化是否具有进化意义，因为只在番茄成熟过程中发生全基因组去甲基化而在其他物种中并没有观察到这个现象。这项研究所提供的资源为后续相关研究提供了翔实的依据。、
来源：生命科学最前沿（公众号）
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