ROP信号传导探索多细胞植物生命初期的起源

植物通过一组独特的分子参与者来调节其发育。ROP 蛋白是一组植物特异性蛋白，已知可控制植物组织的形成。现在，GMI 的休·穆尔维 (Hugh Mulvey) 和利亚姆·多兰 (Liam Dolan) 表明，ROP 蛋白在单细胞和多细胞植物生命的过渡过程中进化。研究结果发表在 11 月 30 日的《当代生物学》杂志上。

由于植物不能移动，它们的生活方式与我们动物截然不同。为了生长和发育，植物还需要一套独特的分子参与者和途径来协调和微调组织和器官的形成。其中一条途径涉及 ROP 蛋白，它是大多数真核生物中发现的 RHO GTPase 蛋白家族的一个亚家族。然而，ROP 亚家族与动物和真菌中的 RHO GTPase 家族中的蛋白质不同，仅存在于植物中。

在陆地植物中，正如奥地利科学院格雷戈尔·孟德尔研究所 (GMI) 的博士后休·穆尔维 (Hugh Mulvey) 和高级小组组长利亚姆·多兰 (Liam Dolan) 先前所确定的那样，ROP 蛋白对于调节三维组织发育和器官形成至关重要。

在他们的新出版物中，Mulvey 和 Dolan 试图查明 ROP 信号进化的时间，并发现这与植物多细胞性的进化相一致。“ROP 蛋白与动物和真菌中发现的 RHO GTPase 家族中的蛋白不同。然而，尚不清楚 ROP 信号传导何时进化，”Mulvey 说。“我们问：ROP 只存在于陆地植物中，还是更早出现在陆地植物的藻类祖先中?”

序列和功能惊人的相似

为了探究 ROP 的进化，研究人员结合了系统发育学和遗传互补研究。首先，Mulvey 将陆地植物中的 ROP 蛋白序列与其他链霉菌(陆地植物所属的谱系)中的序列进行了比较。他发现地钱属(陆地植物模型)与多细胞链藻类 Klebsormidium 和 Coleochaete 之间的 ROP 序列高度相似。然而，ROP 序列在单细胞和群落链藻中不同，例如 Mesostigma 和 Chlorokybus。

Mulvey 总结道：“ROP 蛋白序列在陆地植物和链藻中高度保守，不包括 Mesostigma 和 Chlorokybus。”

接下来，研究人员询问是否只有蛋白质的序列是保守的，或者来自多细胞链藻和陆地植物的 ROP 蛋白质是否也具有类似的功能。

Marchantia 是解决这个问题所需的互补研究的完美模型。这些研究涉及用来自另一个物种的相关蛋白质(称为同源物)替换来自一个物种的敲除蛋白质。与拟南芥有 11 个 ROP 基因不同，地钱花只有 1 个 ROP 基因。这使得研究人员能够在地钱属中分离地检查 ROP 基因。

为了进行互补实验，Mulvey 在缺乏天然 ROP 蛋白的地钱属植物中进行了实验，并引入了来自三种不同藻类的 ROP 同源物。

当来自多细胞藻类 Coleochaete 或 Klebsormidium 的 ROP 同源物插入到地钱 rop 突变体中时，它就像具有天然地钱 ROP 蛋白的植物一样生长。这表明来自鞘毛菌或克雷伯氏菌的 ROP 同源物可以代替地钱 ROP蛋白发挥作用。然而，当使用来自 Chlorokybus 的 ROP 同系物时，地钱植物无法正常发育。

“多细胞丝状链藻和陆地植物之间不仅 ROP 序列相似，而且功能也相似。”

迈向多细胞身体计划之路

结合系统发育学和遗传互补研究，Mulvey 和 Dolan 发现 ROP 信号在植物链霉菌分支中广泛保守。“自丝状链藻和陆地植物的最后一个共同祖先以来，ROP 一直高度保守，”多兰说。“这与该谱系中多细胞进化的进化点相吻合。”

到目前为止，人们对从单细胞生活方式向多细胞生活方式转变背后的遗传基础知之甚少。从单细胞向多细胞丝状体计划的转变需要开发限制细胞生长和分裂向单一方向并在分裂后保持细胞粘在一起的机制。Mulvey 补充道，ROP 信号演化的时间点与人们认为发生这种转变的演化点是一致的。

“由于已知陆地植物中的 ROP 蛋白可以控制极化细胞生长和细胞分裂方向，因此我们推测该谱系中 ROP 信号的进化可能有助于多细胞的进化和向多细胞体计划的形态转变。 ”