植物通過(guò)一組獨特的分子調控它們的發(fā)育。已知ROP蛋白是一組植物特異性蛋白，控制植物組織的形成?，F在，GMI的Hugh Mulvey和Liam Dolan表明，ROP蛋白是在單細胞和多細胞植物生命的過(guò)渡過(guò)程中進(jìn)化的。研究結果發(fā)表在的《Current Biology》雜志上。

由于不能移動(dòng)，植物的生活方式與我們動(dòng)物截然不同。為了生長(cháng)和發(fā)育，植物還需要一套獨特的分子參與者和途徑來(lái)協(xié)調和微調組織和器官的形成。其中一個(gè)途徑涉及到ROP蛋白，這是在大多數真核生物中發(fā)現的RHO GTPase蛋白家族的一個(gè)亞家族。然而，ROP亞家族與動(dòng)物和真菌中的RHO GTPase家族中的蛋白質(zhì)不同，只存在于植物中。

在陸地植物中，正如奧地利科學(xué)院孟德?tīng)栄芯克?/span>GMI）的博士后Hugh Mulvey和高級小組組長(cháng)Liam Dolan先前建立的那樣，ROP蛋白對調節三維組織發(fā)育和器官形成至關(guān)重要。在他們的新出版物中，Mulvey和Dolan試圖確定ROP信號進(jìn)化的時(shí)間，并發(fā)現這與植物多細胞進(jìn)化的時(shí)間一致。“ROP蛋白不同于在動(dòng)物和真菌中發(fā)現的RHO GTPase家族中的蛋白質(zhì)。然而，尚不清楚ROP信號是何時(shí)進(jìn)化的。”“我們的問(wèn)題是：ROP只存在于陸生植物中，還是在陸生植物的藻類(lèi)祖先中出現得更早？”

圖片信息：鏈霉菌進(jìn)化中ROP信號的建立。

在序列和功能上驚人的相似

為了探究ROP的進(jìn)化，研究人員結合了系統發(fā)育和基因互補研究。首先，Mulvey將陸生植物的ROP蛋白序列與陸生植物所屬的其他鏈生植物的序列進(jìn)行了比較。他發(fā)現模式陸地植物Marchantia與多細胞鏈藻Klebsormidium和Coleochaete之間的ROP序列非常相似。然而，在單細胞和群體鏈藻中，如中柱頭藻和綠藻，ROP序列不同。Mulvey總結道：“ROP蛋白序列在陸生植物和鏈藻之間被證明是高度保守的，不包括中柱頭和綠藻。”

接下來(lái)，研究人員詢(xún)問(wèn)是否只有蛋白質(zhì)的序列是保守的，或者來(lái)自多細胞鏈藻和陸地植物的ROP蛋白是否也具有類(lèi)似的功能。對于解決這個(gè)問(wèn)題所需的補充研究來(lái)說(shuō)，瑪香蒂亞是一個(gè)完美的模型。這些研究包括用來(lái)自另一個(gè)物種的相關(guān)蛋白質(zhì)（稱(chēng)為同源物）替換一個(gè)物種的敲除蛋白質(zhì)。與擁有11個(gè)ROP基因的擬南芥不同，Marchantia只有一個(gè)ROP基因。這使得研究人員能夠在Marchantia中分離檢測ROP基因。

在互補實(shí)驗中，Mulvey在缺乏天然ROP蛋白的Marchantia植物中進(jìn)行了實(shí)驗，并引入了來(lái)自三種不同藻類(lèi)的ROP同源物。將多細胞藻類(lèi)Coleochaete或Klebsormidium的ROP同源物插入到Marchantia ROP突變體中，其生長(cháng)與天然Marchantia ROP蛋白相似。這表明來(lái)自Coleochaete或klebsordium的ROP同源物可以代替Marchantia的ROP蛋白。然而，當使用來(lái)自Chlorokybus的ROP同源物時(shí)，Marchantia植物不能正常發(fā)育。“不僅僅是多細胞絲狀鏈藻和陸地植物之間的ROP序列相似，而且功能也相似。”

在通往多細胞身體計劃的道路上

結合系統發(fā)育和遺傳互補研究，Mulvey和Dolan發(fā)現，ROP信號在植物的鏈生分支中廣泛保守：“自絲狀鏈生藻類(lèi)和陸生植物的最后一個(gè)共同祖先以來(lái)，ROP一直高度保守”，Dolan說(shuō)。“這與這個(gè)譜系中多細胞生物進(jìn)化的進(jìn)化點(diǎn)相吻合。”

到目前為止，人們對單細胞生物向多細胞生物轉變背后的遺傳基礎知之甚少。從單細胞到多細胞絲狀體的轉變需要一種機制的發(fā)展，這種機制將細胞生長(cháng)和分裂限制在一個(gè)方向上，并在分裂后保持細胞粘在一起。Mulvey補充說(shuō)，ROP信號進(jìn)化的時(shí)間與這種轉變被認為發(fā)生的進(jìn)化點(diǎn)相吻合。“由于已知陸地植物中的ROP蛋白控制細胞極化生長(cháng)和細胞分裂方向，我們推測該譜系中ROP信號的進(jìn)化可能有助于多細胞的進(jìn)化和多細胞體計劃的形態(tài)轉變。”

期刊：Current Biology

DOI：10.1016/j.cub.2023.11.007 

文章標題：RHO of plant signalling was established early in streptophyte evolution