植物和动物的殊途同归（3）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2017年第11期第15页）

5 植物从单倍体变二倍体的基因调控

上述介绍的，是植物从单倍体到二倍体的转变历程，是植物为“改正错误”而作出的“漫长努力”（其实还是随机突变加自然选择）。如果从基因调控的角度审视植物的这个转化历程，就会发现实现这些步骤非常不易。植物要从最初的单倍体变为后来的二倍体，有3个关键的问题必须解决。第1个是使受精卵不立即进行减数分裂，而是像动物那样延迟（在生殖细胞中）或者取消（在体细胞中），并且代之以有丝分裂，形成多个二倍体的细胞，这样才有建造二倍体身体的材料。第2个是有了许多二倍体的细胞后，还需要有将这些细胞组建成二倍体身体的发育程序，这样二倍体世代才能拥有自己的形态结构。第3个是即使有了为二倍体植株发育的程序，由于为单倍体发育的程序仍然存在（基因仍然在那里，在单倍体植株的发育中就会被采用），植物还必须有机制控制二倍体只使用自己的发育程序，而不采用单倍体植株的发育程序。下文分别介绍对这3个问题的研究状况。

5.1 是进行有丝分裂还是进行减数分裂？

想知道最初植物的受精卵是如何以有丝分裂取代减数分裂的，就需要知道有丝分裂和减数分裂控制机制的差别，而这是一个相当困难的任务，到现在还没有答案。有丝分裂和减数分裂的基本过程相同，都是通过纺锤体中的微管将染色体拉到2个子细胞中去，故减数分裂其实也是广义上的有丝分裂，只是要进行2轮细胞分裂，且染色体分离的方式不同。有丝分裂和减数分裂的基本机制相同的证据是：无论是在植物中还是在动物中，这2个细胞分裂过程都是被MPF的蛋白复合物驱动的。MPF由2个亚基组成：一个是细胞周期素（cyclin），另一个是依赖于细胞周期素的蛋白激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）。在有丝分裂或减数分裂开始前，CDK不与细胞周期素结合，没有活性。在细胞进入有丝分裂或减数分裂时，CDK磷酸化的状态改变，结合细胞周期素，形成具有活性的蛋白复合物，其CDK激酶的活性使细胞分裂所需要的蛋白因子磷酸化，启动有丝分裂或减数分裂。

MPF是在1971年被2个美国实验室发现的。孕酮（progesterone）能激活青蛙的卵母细胞（oocyte），使其进入可以受精的状态，称为卵母细胞的成熟（maturation），故起作用的因子被称为成熟激活因子（maturation promoting factor，MPF）。 此过程需要卵母细胞进行减数分裂，MPF也可以代表meiosis promoting factor。随后的研究发现，MPF的活性在体细胞中也存在，让体细胞进入有丝分裂期，即M期，所以MPF又可以代表M phase promoting factor或者 mitosis promoting factor。类似的MPF复合物后来也在植物中被发现。有丝分裂和减数分裂都由MPF启动的事实说明，这2个细胞分裂的基本过程是高度重合的。

MPF被激活时，细胞是进行有丝分裂，还是进行减数分裂，一定有相应的控制机制，但到目前为止，这个控制机制还没有找到。减数分裂是一个极为复杂的过程，例如小鼠的精母细胞（spermatocyte）变为精细胞（spermatid）时，有大约 60%的基因（12 776个）的表达发生变化。要从如此众多的基因表达变化中找出负责决定减数分裂的基因相当困难。

不仅如此，减数分裂还分为几个阶段，每个阶段都有控制机制。例如女婴在出生时，卵巢中已有初级卵母细胞（primary oocyte）。这些初级卵母细胞是四倍体的，说明卵母细胞（oocyte）已进入减数分裂的程序，完成了DNA的复制，但是停止在第1轮减数分裂前。到了青春期，在排卵前36～48 h，初级卵母细胞才进行第1轮减数分裂，形成次级卵母细胞（secondary oocyte）。卵巢排出的卵实际上是尚未完成减数分裂的次级卵母细胞。进入输卵管之后，次级卵母细胞才进行第2轮减数分裂，形成单倍体的卵细胞。因此整个减数分裂的过程可在DNA复制后和第1次减数分裂后停止，后面的步骤可延迟启动，说明减数分裂的启动（DNA复制）、第1轮减数分裂和第2轮减数分裂都各有控制机制，使得对整个减数分裂控制机制的研究变得非常困难。

5.2 控制植物二倍体结构发育的基因 植物从单倍体变为二倍体要解决的第2个和第3个问题分别是要形成二倍体身体发育的程序和强制二倍体细胞采用这个程序的机制。苔藓植物的配子体是单倍体的，像多细胞的绿藻一样，已经有发育成单倍体植株的程序，让单倍体细胞长出有类似根、茎、叶结构的植物体，有叶绿体，可进行光合作用而独立生活。在受精卵延迟进行减数分裂，代之以有丝分裂，产生大量的二倍体细胞后，就面临如何将这些二倍体细胞组成一个新植物体的问题。由于这样的二倍体植株以前没有存在过，这就要求苔藓植物发展出新的建造身体的蓝图，而且在新的蓝图发展出来以后，还必须要有机制避免二倍体细胞再采用单倍体植株的蓝图。这2个任务是彼此相连的：没有发育出二倍体植株的蓝图，二倍体的细胞无法形成有用的结构；而没有制止植物向单倍体结构方向发展的机制，这样的新蓝图即使发展出来也不能保证被二倍体的细胞所使用。

苔藓植物二倍体发展的蓝图（即形成孢子囊和支撑孢子囊的梗）是如何形成的，现在还不得而知，估计这是一个不断尝试的过程。一开始也许是受精卵原地进行有丝分裂，产生大量的二倍体细胞，这些二倍体的细胞再进行减数分裂，产生单倍体的孢子。比起受精卵直接进行减数分裂，这种延迟的减数分裂已经是一个巨大的进步，可增加孢子的数量和增加孢子遗传物质的多样性。如果一些二倍体细胞能聚合形成杆状结构，位于杆端的细胞就可以从配子体上伸出，由这些细胞产生的孢子就可以从配子体植株的上面，即从较高的位置散发孢子，使孢子有更好的机会被传播到较远的地方，增加植物繁殖后代的机会。如果在杆状结构的顶端形成孢子囊，二倍体细胞就会形成梗、孢子囊壁，以及孢子囊内部负责进行减数分裂形成孢子的组织，这就是最初的孢子体，但是形成这样的孢子体的分子控制机制尚不清楚。

在二倍体发育的程序形成后，二倍体细胞是如何采用该程序避免发育成单倍体的配子体结构的，现已有一些有趣的初步研究结果。苔藓植物中的小立碗藓（Physcomitrella patens），和其他苔藓植物一样，配子体和孢子体有不同的结构。配子体是有“叶片”和假根的植株，而孢子体没有“叶片”和假根，只是梗上的孢子囊。当KNOX2蛋白的基因突变后，二倍体的细胞就会发育出配子体的形状，即长出 “叶片”和假根，而不是形成孢子囊的结构。这说明小立碗藓的二倍体细胞也可采用单倍体配子体身体的发展蓝图，而KNOX2蛋白的作用就是防止二倍体采用单倍体配子体的身体发育程序，而向形成孢子囊的方向发展。检查KNOX2基因的表达状况，发现它只表达于受精卵和孢子体中，而不表达在配子体中，说明KNOX2蛋白为二倍体的身体发育所必需。

KNOX2蛋白并非单独起作用，而是与一个BELL蛋白结合，形成异质二聚体，二聚体的形成使得KNOX2/BELL蛋白进入细胞核，结合于DNA上，发挥它们的调节功能，启动二倍体的发育程序。对KNOX2蛋白和BELL蛋白的研究表明，它们都含有一个由63个氨基酸残基组成的DNA结合域，这个DNA结合域与由60个氨基酸残基组成的“同源异形域”蛋白（homeodomain proteins）的DNA结合域基本相同，只是中间有3个氨基酸残基的插入，故被称为TALE（three amino acid extension）蛋白。

同源异形域蛋白是一类非常重要的蛋白，在生物体结构的发育中起关键的控制作用。它们有些像“包工队”的队长，一旦将任务交给它们，它们就能动员相关基因完成该结构的建造。最著名的例子就是果蝇的antennapedia基因，它是负责形成果蝇腿的“包工队队长”。若该基因发生突变，原来应长腿的地方就会被长触角的程序所取代而长出触角。若在原来应长触角的地方活化该基因，则在原来应长触角的地方会长出腿。Homeo-这个前缀来自果蝇由于基因突变引起身体结构的变化，英文叫Homeosis，意思就是某个这样的基因发生突变，身体的一部分就会被另一部分取代而导致身体异形，在中文中被译为“同源异形”。为同源异形域（60个氨基酸残基）编码的DNA序列（180碱基对）被称为同源异形盒（homeobox），因此同源异形盒基因也被称为homeobox gene，简称Hox基因。上述谈及的TALE蛋白的基因也含有同源异形盒，只是多出了为3个额外的氨基酸残基编码的DNA序列 （9个碱基对），所以是Hox基因的近亲，与Hox基因一起控制生物身体结构的形成。

KNOX2基因是在1991年从一个玉米的突变种中提取到的，因为突变种玉米的叶子呈结节样（knotted）变形，突变的基因也被称为KNOX，是KNOTTED-like TALE homeobox gene的简称。由于同源异形盒基因在动物的身体发育过程起非常重要的调控作用，在植物中同源异形盒基因KNOX的发现引起了科学家广泛的兴趣，掀起了研究植物同源异形盒基因的热潮。

研究发现，植物中TALE蛋白的历史非常悠久。单倍体的衣藻（Chlamydomonas，一种单细胞的绿藻）在环境不利（例如营养缺乏）时进行有性生殖。细胞先进行有丝分裂，形成配子（gamete）。配子分正（plus）、负（minus）2 种，它们彼此融合，形成二倍体的受精卵（合子），受精卵再发育成为能抵抗恶劣环境的孢子，以等待适宜的生活环境。这就需要启动为形成孢子壁的建造所需要的蛋白质的基因。所以即使是在单细胞的衣藻中，单倍体细胞和二倍体细胞也有不同的“身体”结构。受精卵启动二倍体的发育程序形成孢子，是由TALE蛋白控制的。

衣藻的正配子表达Gsp1（Gamete-specific plus 1）蛋白，负配子表达 Gsm1（Gamete-specific minus 1）蛋白。正、负配子融合后，Gsp1蛋白与Gsm1蛋白结合，进入细胞核，启动受精卵形成孢子的程序。若在负配子中也表达Gsp1，负配子就会向形成孢子的方向变化，表达为孢子壁形成所需糖蛋白的基因，说明Gsp1/Gsm1二聚体能使细胞向形成孢子的方向发展，无论细胞是单倍体的还是二倍体的。

比较Gsp1、Gsm1的氨基酸序列与其他TALE蛋白的氨基酸序列，发现Gsp1相当于BELL蛋白，而Gsm1相当于KNOX蛋白，这说明KNOX/BELL类型的二聚体在单细胞的衣藻中就已经存在，并在二倍体细胞的发育方向上起作用，而且Gsm1/Gsp1异质二聚体的工作方式也与KNOX/BELL二聚体相同，都是形成二聚体后才进入细胞核与DNA结合。

绿藻只有1个KNOX基因，而在植物中，KNOX基因被复制，形成2个KNOX基因，分别称为KNOX1和KNOX2。在被子植物中，KNOX1蛋白存在于分生组织的细胞内，维持分生组织不断进行细胞分裂的能力，它与KNOX2蛋白一起，使植物形成茎、叶等二倍体组织。KNOX基因在配子体（胚珠和花粉囊）中没有表达，说明在高等植物中，KNOX基因仍然控制着二倍体植株形态的形成。

在动物中，单倍体的精子和卵子也有不同于体细胞的发展路线，例如精子必须长出鞭毛，浓缩和包装DNA，在鞭毛的根部包裹上许多线粒体等；卵子体积增大，直径可以达到100 μm，外面包有由糖蛋白组成的透明带（zona pellucida），其作用是结合同种动物的精子，并启动精子进入卵子的过程，因此单倍体的卵细胞必须表达为透明带蛋白编码的基因。这说明动物单倍体的细胞和二倍体的细胞各有不同的发育蓝图，虽然这些蓝图所需要的基因在单倍体的细胞和二倍体的细胞中都存在。一个有趣的情形是一些昆虫例如蚂蚁，卵细胞在没有受精的情况下也可进行有丝分裂，发育成为单倍体的雄性蚂蚁，而受精卵则发育成为雌性的蚂蚁（工蚁和蚁后）。这说明单倍体的细胞（卵子）也可采用二倍体细胞的身体发育程序，发育成为二倍体动物，所以这些昆虫一定拥有改换发育程序的机制。

这些例子都说明，无论是动物还是植物，单倍体的细胞和二倍体的细胞各有发展蓝图，形成不同的结构。由于所有这些细胞都同时含有2种蓝图的基因，每种细胞一定有某种机制，只选择适合自己功能的发展蓝图。如果调控机制发生变化，同一种细胞也可以采用另一个发展蓝图。在植物中，二倍体蓝图的选择是由KNOX基因控制的。

6 小结

从绿藻的单倍体生命，到苔藓植物以单倍体的配子体为主的生命，到蕨类植物以二倍体为主的孢子体生命，再到二倍体种子植物（包括裸子植物和被子植物）中单倍体的配子体被孢子体“收容”，而且高度退化，植物的生活方式越来越像动物。从表面上看，动物和种子植物都是二倍体的生物体产生二倍体的下一代，植物单倍体的配子体几乎退化干净，而且隐藏在胚珠和花粉之中。这说明二倍体的遗传物质构成更加适应复杂生物体的需要，所以动物和植物虽然开始时不同，动物是二倍体，植物是单倍体，但是后来它们殊途同归，最后都采用了二倍体的生活方式。

之所以植物的配子体还没有完全退化干净，不能像动物那样只产生单倍体的精子和卵子，完全取消世代交替，是因为植物不能运动，无法像动物那样通过性交将精子送到卵子处，陆生植物的精子必须通过风力或者动物传播，而裸露的精子是无法在这样的条件下生存的，必须有保护和萌发的结构，这就是花粉，即残存的雄配子体。陆生动物的卵子是深藏体内而裸露的，精子通过在生殖道中长途游泳可以直接到达卵子处，而陆生植物的卵子却不能长时间裸露，否则会失水，所以植物的卵子是藏在胚珠内的，精子只能通过花粉管的延长到达卵子，这就使得植物必须有相应的结构实现精子和卵子的相遇，这就是胚珠的作用。胚珠内的单倍体结构就是残存的雌配子体。

（完）