在基因水準上闡明植物健美的共同原則

研究大綱

地球上有超過30萬種陸地植物，據說陸地植物約佔地球上生物量（生物體的重量）的80%。 除了開花的被子植物外，陸地植物還包括裸子植物，如雪松和松樹，蕨類植物和小葉植物，它們通過孢子而不是種子繁殖，以及沒有維管束的苔蘚植物。 最近的分子系統發育分析表明，所有現代陸地植物都起源於一個共同的祖先，該祖先大約在5億年前與綠藻分化。 那麼陸地植物的共同祖先是什麼樣的生物呢？ 不幸的是，目前還沒有發現任何化石可以揭示那個時期植物的形狀，也沒有直接的方法來知道這個問題的答案。

然而，生物體的進化歷史被刻在基因（DNA序列）中，通過將DNA序列與現代物種的身體形成（發育）機制進行比較，可以推斷出共同祖先的特徵。 在我們的實驗室中，我們正在努力通過使用肝苔在遺傳水準上闡明發育機制來了解陸地植物共同的發育控制機制，肝苔屬於苔蘚植物，這些苔蘚植物屬於苔蘚植物，這些苔蘚植物在陸地植物進化的最基本部分與其他譜系分化。 在我們的研究中，我們重點研究了生長素，這是一種植物激素，並分析了生長素反應機制的起源和進化。

研究的特點

在被子植物中，生長素調節根、葉、花等器官的發育生長、維管束圖案以及響應光和重力的屈曲反應，在農業中廣泛用作除草劑和生根促進劑。 由於農業和其他行業使用的植物大多是被子植物，因此過去的生長素研究大多是在被子植物上進行的。 結果明確了生長素反應主要是通過一種叫做ARF的蛋白質調控基因表達來實現的，但另一方面，被子植物中大量參與生長素反應的基因一直是研究的障礙（例如，水稻有25種ARF基因）。 此外，生長素反應機制是何時以及如何獲得的？ 進化問題也仍未解決。 因此，在2008年，我們開始使用苔蘚進行研究（圖1），當時它正在開發為一種新的實驗模型。 除了生長快、培養方便、基因改造高效等優點外，從初步分析中推斷出苔蘚具有低遺傳冗餘性，因此我們認為它可作為生長素研究的新模型。

研究的吸引力

以苔蘚為模型（圖2）的實驗，闡明瞭苔蘚與被子植物只有3種ARFs的生長素反應機制相同但最小，並闡明瞭3種ARFs[1,2]基本功能的差異。 這一成就意味著生長素響應機制已經在生活在5億年前的陸地植物的共同祖先中建立起來。 接下來，利用1000多種植物的基因序列資料庫OneKP進行綜合分析，發現ARF首先在祖先藻類中通過遺傳融合產生，然後在陸地植物的共同祖先中改造生長素受體機制，作為控制ARF活性的開關[3]。 此外，在陸生植物的進化中，生長素反應機制在蕨類植物和種子植物的共同祖先中開始增加（圖3），因此，基因表達反應的類型和幅度增加，根據多種蕨類植物和苔蘚植物的實驗[3]。 通過這種方式，我們在實驗中使用了活的植物物種，通過比較物種之間的結果，我們可以擴展我們對數億年進化中發生的事件的洞察力。 人們往往嚮往太空、深海和恐龍等他們無法企及的世界，我相信我們的研究有一種與這些領域相關的浪漫。

[1] Kato H， et al. 2015. Plos 遺傳學 （https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1005084）
[2] Kato H， et al. 2020. 自然植物（https://doi.org/10.1038/s41477-020-0662-y）
[3] Mutte SK、Kato H 等人，2018 年。 eLife （https://doi.org/10.7554/eLife.33399）

未來展望

目前，我正在同時研究多個研究課題，基於我之前對苔蘚生長素的研究。 首先是對陸地植物共有的生長素反應基因的分析，這些基因是通過對苔蘚植物和蕨類植物的比較分析發現的。 生長素反應機制本身只不過是啟動一組特定基因的開關，未來，我想了解開關末端改變細胞形狀、物理和化學性質的機制。 另一個主題是闡明高腳杯和無性芽的形成機制（圖4），它們是無性繁殖的器官。 這些器官是苔類植物及其親戚所獨有的，但最近的研究表明，陸生植物共有的激素，包括生長素，在它們的調節中起作用，我們預計這將導致闡明陸生植物常見的發育控制機制。 此外，模式生物，包括苔類生物，與其他物種一樣，是進化中的特殊生物，我們認為使用更多植物物種的實驗對於理解共同原理是必要的。 將來，我想對小葉植物和蕨類植物進行實驗，這些植物和蕨類植物分為苔蘚植物和被子植物。

給那些希望做這項研究的人的資訊

研究是一項活動，涉及攀登前人積累的知識大山，並在此基礎上建立新的知識，基本上是通過穩定工作的積累進行的。 我相信，這些研究活動背後的第一驅動力是對觀察和瞭解未知事物的好奇心。 隨著近年來測序技術的發展，我們現在正處於一個可以解碼任何生物體的基因組（所有基因的DNA序列）的時代，並且研究以前難以在基因水準上研究的物種變得更加容易。 植物的形狀是如何確定的？ 在進化過程中，這種機制是如何獲得和改變的？ 對於那些想挑戰這個問題的人來說，這是你最喜歡的植物的奇跡！ 我想和有這種熱情的人一起做研究。

更詳細的研究結果發佈在實驗室的網站上，所以也請在那裡查看。