水是生命之源。大多数植物种子发育成熟后，往往要经历脱水、休眠的阶段，等到外界的湿度、温度等条件适宜时才开始萌发，并利用早先贮存的碳水化合物、蛋白质等物质促进幼苗的生长发育。比如睡莲，种子脱水能够在湖底休眠千年之久而不萌发。



植物种子如何使得各种分子重新 “活动” 起来？这里的关键因素就是水，那么，植物种子是如何感知水的存在并开启新的生命循环的呢？

 

Cell 发文 | 图源：文献[2]


美国斯坦福卡内基科学研究所 Seung Y. Rhee 及其合作者发现了植物中的一种全新的水分传感器——FLOE1蛋白，FLOE1蛋白可以感知环境中水分的变化，引发相分离（即FLOE1蛋白在液滴和凝胶态之间的转换），从而调控种子萌发。这一成果于近期在国际学术期刊Cell 上发表。

 

Seung Y. Rhee团队研究方向 | 图源：文献[1]


“尽管大多数植物的种子具有惊人的韧性，但对于整个植物生命周期来说，从种子到幼苗的阶段是最为脆弱的，因为种子的萌发需要非常精确的时间调控，一旦启动就不可能返回到休眠状态——精灵不可能再回到瓶子里。” 论文第一作者 Yanniv Dorone 表示，“所以，像FLOE1这样的蛋白对于植物精密调控生命运行至关重要。” [3]



在所有已测序的基因组中，超过25-75%的编码蛋白基因与任何具有已知分子功能的基因都不相似。为此，Seung Y. Rhee 团队开发了系统地表征这类 “未知” 基因的方法。而在本研究中，他们着眼于寻找能够感受水分变化，进而调控种子萌发的关键基因。

 


关注FLOE1基因 | 图源：文献[2]


研究人员首先分析了公开可用的拟南芥（十字花科草本植物，植物学研究的模式生物）转录组数据（基因表达数据），发现了449个编码蛋白基因在干燥种子的表达水平高于其他组织，其中包含了编码14种朊病毒样（prion-like）蛋白的基因。而在此之中，研究人员注意到了一个未表征的编码——种植物特异性蛋白的基因（AT4G28300），将其命名为FLOE1（命名灵感来自于 Philip Glass 的Glassworks第二乐章，同时floe又有 “浮冰” 的含义，属于相分离的水体）。



研究人员发现，FLOE1 的基因表达水平在种子胚发育过程中逐渐上升，并在种子成熟干燥状态达到峰值。更有趣的是，干燥的种子在遇到水后，其中的FLOE1蛋白以凝集体（Condensates）形式存在。而在高盐环境（NaCl，模拟脱水状态）下，FLOE1并不形成凝集体（Dispersed），高盐环境解除后，FLOE1的凝集体又出现，这就是相分离现象。这说明FLOE1蛋白的相（状态）与水分紧密相关。

 

FLOE1蛋白的状态与水的存在息息相关 | 图源：文献[2]


水、FLOE1和种子萌发三者又是什么关系呢？



研究人员发现，在高盐环境下（即脱水状态），正常的种子是不会发芽的，但是敲除FLOE1基因的种子发芽率显著上升，说明在干燥环境下，FLOE1会抑制种子的萌发。

 

敲除FLOE1基因的种子在高盐环境下发芽率上升 | 图源：文献[2]


知其然，更知其所以然。随后，研究人员针对FLOE1蛋白的相分离特性，进一步鉴定了驱动相分离的结构域，并证明其与种子萌发的关系。具体来说，谷氨酰胺、脯氨酸和丝氨酸富集（QPS-rich）结构域会促进凝集体形成，使得FLOE1可以促进种子的萌发，而天冬氨酸和丝氨酸富集（DS-rich）结构域则是抑制凝集体的固态转变，这种抑制可以控制种子可以在合适的时期进行萌发。FLOE1的相分离特性是由QPS与DS这两个无序域施加的相反力调节的，其能在弥散、液滴和固体凝胶状态之间进行切换，进而调节种子萌发。

 

调节FLOE1蛋白相分离的关键结构域 | 图源：文献[2]
 

FLOE同源基因在整个植物界广泛存在 | 图源：文献[2]


此外，生态基因组数据表明FLOE1在整个植物界广泛存在，其多样性可能是植物相分离行为表型的驱动因素，FLOE1的变异参与局部适应，调节自然种群中相行为、种子休眠与萌发的变化。面对气候的多变性，种子需要挑选最合适的时期萌发，FLOE1的相分离控制种子的萌发，这对于植物的存活率至关重要。该团队正在将其应用于农作物生产，希望能够抵御气候变化的影响。



植物基因组犹如一座宝藏，而对未知基因的表征则是大门的钥匙。技术的进步带动了科学研究的发展，该研究结合多种技术手段，提供了一个经典的示例。Yanniv Dorone表示，“FLOE1蛋白是首个被鉴定出来的在脱水-水合循环中进行可逆相分离的蛋白质，但类似的过程可能也存在于其他有干燥休眠期的生物中，包括一些人类遇到的病原体。”