北京大学、美国密西西比州立大学教授联手组织众筹，构建研究植物生活周期核心形态建成过程的模式植物

2023-05-09 08:15:57 来源：今日健康网作者：分享：

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　　该论文第一次系统地提供了微萍作为模式植物的基本信息，包括形态描述、基因组分析、微流芯片小植株培养和转基因技术。同时，以无根、无维管束、诱导开花等三个形态建成特点为例，验证了用该系统研究形态建成过程调控机制的可行性。

一棵棵植株在人们眼中究竟是像一只只猫猫狗狗一样的个体，还是像一丛丛珊瑚那样的聚合体，在植物学界一直是一个有争议的问题。17世纪现代植物学开创者凭他们的观察和直觉，认为植株是类似珊瑚那样的聚合体，每个芽是一个类似动物个体那样完成生活周期的基本单位。虽然这种观念一直由不同的学者传承到20世纪，并得到发育生物学大家Waddington的认可，但这种观念在19世纪因为各种阴差阳错的原因逐渐被抛弃。进入20世纪之后，把植株视为个体的观念成为主流。两种观念的争议之所以一直没有得到解决，关键在于迄今为止，植物学家一直没有在以单个“芽”的形式独立生存的植物上建立起可进行实验研究的系统。现在，北京大学和美国密西西比州立大学教授联手组织众筹，构建了一种研究植物生活周期核心形态建成过程的模式植物。

2023年4月19日，国际著名科学杂志PNAS（《美国国家科学院院刊》）子刊Nexus在线发表了北大生命科学学院校友、中国人民大学附属中心李峰博士等41位作者署名的论文“Plant-on-Chip: core morphogenesis processes in the tiny plant Wolffia australiana”。该论文第一次系统地提供了微萍作为模式植物的基本信息，包括形态描述、基因组分析（包括AlphaFold蛋白结构和单细胞转录组）、微流芯片小植株培养和转基因技术。同时，以无根、无维管束、诱导开花等三个形态建成特点为例，验证了用该系统研究形态建成过程调控机制的可行性。

微萍是世界上最小的被子植物，椭球形，横径仅有1毫米左右，小植株结构包括一片叶片、一个雄蕊和一个雌蕊。虽然微萍在出现雌雄蕊之前可以如芽殖酵母那样分枝，但分枝会很快与主体分离、独立生长。因此微萍小植株的形态建成过程代表了植物完成生活周期所必需的核心过程。该文章提供了一个可操作的实验系统，为研究植物完成生活周期的核心形态建成过程提供了新的探索空间——不仅提供了关于“芽是完成生活周期的基本单位”概念的实证，而且还为有关植物生长点结构与功能的关系、根的形态建成的关键调控环节、开花调控机制，乃至花的起源等基本的植物生物学问题提供了全新的探索视角。

“70年后，我们做出了植物芯片”。蓝色蜿蜒的背景表示“微流”。图左右两侧的浅棕色可以解读为持微流芯片的手。右上角的老者是70多年前开启微萍（Wolffia）研究的瑞士植物学家Elias Landolt，左上两张人像照片中是本文作者张大明和白书农。照片右侧的图表示植物发育单位。顺流而下的图分别是微萍染色体照片、基因组序列图、单细胞测序图、微萍小植株形态、用AlphaFold做的微萍特有基因序列的蛋白结构预测。左下的图是本文作者、北大校友、密西西比州立大学教授李灵。（本图由李峰、人大附中张兴供稿）

该研究工作的完成，一方面要归功于中国科学院植物研究所张大明研究员从1994年开始的艰苦的探索性工作，为此奠定了基础；另一方面要归功于合作者们的北大情怀（全部作者都是北大师生、校友或北大校友的好朋友），以及对探索未知的热情。在这种情怀与热情的支撑下，该研究工作的完成为以“众筹”的形式开展高风险的探索性工作提供了一个成功的范例。有关研究历程详见微萍网站（登录名和密码均为waus）。

另外，特别值得一提的是，人大附中齐乐瑶、阿斯娜等连续几届的高中生，在李峰（本文第一作者）的指导下，在人大附中实验室完成了对微萍的生长过程、开花诱导过程的系统观察；而李峰的同事辇伟峰博士（北大工学院校友）则设计构建了微流芯片小植株培养的集成系统。这些成功的尝试表明，受过系统科学训练的中学教师完全可以在中学带领中学生开展具有真正意义上探索未知的科学研究活动。同时，微萍实验系统的建立，为中学生在植物学领域开展全新的探索提供了契机。