植物的“投资智慧”

植物的枝干包括主枝和围绕主枝生长的侧枝，主枝和侧枝的交错构成了自然界多姿多彩的植物形态（图1，A）。每一条小侧枝上，可以着生叶片以进行光合作用，还可以开花结果。但是，生成的侧枝过多，意味着每条侧枝分配到的营养资源就越少，进而影响种子形成；生成的侧枝过少，则意味着根所吸收的营养资源没有物尽其用。

因此，聪明的植物懂得审时度势，知道什么时候该“投资”侧枝发育，什么时候该选择保留资本。例如，高氮肥下水稻侧枝（分蘖）数目要明显多于低氮肥条件，使得水稻可以在高氮肥条件下获得更高产量（图1，B）。

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基因就像一个个模具，而细胞好比一间间厂房，基因在细胞里可以生产出一个个蛋白去执行各种具体功能，以此来实现植物的生长发育。研究人员喜欢以一种叫做“拟南芥”的小型植物为材料，来认识植物生长发育的内在调控机制。在拟南芥中，UBP15基因生产出的UBP15蛋白，执行着促进细胞分裂使种子变大的功能，而DA1基因生产的DA1蛋白，则通过促进UBP15蛋白降解来限定种子的大小。DA1基因的变异（da1-1），使得UBP15蛋白更加稳定，因而产生出更大的种子。有趣的是，研究人员发现da1-1植株虽然种子变大了，但侧枝数目却减少了（图2，A，B，D），那么小小一个DA1基因是如何影响种子发育和侧枝形成这两大过程的呢？

今年4月份在植物学国际期刊《植物细胞》（Plant Cell）上发表的题为“CUC2/CUC3-DA1-UBP15调控模块控制植物分枝”（Control of Plant Branching by the CUC2/CUC3-DA1-UBP15 Regulatory Module）的研究论文中，中科院遗传发育所李云海团队续写了DA1 的有趣故事。

拟南芥侧枝一般着生于叶腋处，其生长包括起始（Initiation）和最终长出（Outgrowth）两个阶段。然而，在da1-1中有些叶腋处连侧枝起始的痕迹也没有，表明DA1控制着侧枝的起始（图2，C）。通过遗传杂交实验，研究人员发现另一类调控侧枝的蛋白CUC2/CUC3会结合到DA1基因上游序列，促进生产DA1基因和DA1蛋白。

那么，DA1蛋白是否调控了其他蛋白来影响侧枝发生呢？研究人员对da1-1进行甲基磺酸乙酯（EMS）诱变处理，这种处理可以在成千上万颗da1-1种子中随机变异掉一些基因功能，继而通过播种观察侧枝数目变化，可以找出拮抗da1-1的基因。

有趣的是，人们发现UBP15的突变可以使da1-1侧枝数目回复到正常水平（图2，D）。所以，美妙的缘分又让DA1和UBP15在叶腋处相遇了。同样一对基因或蛋白，在种子中是发挥调控种子大小的作用，一到了叶腋这边，就行使调控侧枝形成的功能，不禁让人感叹生命的神奇。

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CUC2/CUC3-DA1-UBP15调控模块解释了为什么da1-1突变体中种子变大的同时，会减少侧枝的发生。这是植物的投资智慧，因为在有限的营养供应下，植物需要权衡资源投入（产生侧枝）与产出（收获种子）。当我们理解了植物的做法时，或许我们可以帮助它们做点什么，比如使用基因手术刀（CRISPR技术）定向编辑种子里的DA1基因而不影响叶腋处的DA1基因，这或许可以在正常分枝的基础上实现种子增大的效益。

答案是未知的，但未来是可期的。

来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所