拟南芥的奋斗!拟南芥有哪些故事?
2019-09-22

编译:曹务强 (中科院遗传与发育生物学研究所)

 




寒门子弟

拟南芥被用于科学研究,还得从德国植物学家Friedrich Laibach说起。1905年,Laibach正在攻读博士学位,他的研究课题是观察和分析植物的染色体数目。于是,Laibach就从实验室所在地波恩(Bonn),以及他的家乡林堡(Limburg)收集了一些植物样本进行研究,其中就包括拟南芥。可能由于拟南芥真的是太不起眼了,当时的植物分类学家还没对它们进行系统的研究和分类,于是Laibach就自创了一种方法,以采集地对其命名。由于当时的拟南芥样品是从他的家乡林堡(Limburg)采集的,因此第一种被用于科学研究的拟南芥生态型就被命名为Limburg。


 
出师不利

 

 



实验室中的拟南芥

 

1957-1965

1957年,Rédei使用X射线对Landsberg种子进行诱变,筛选感兴趣的突变体。他们筛选到的第一个突变体是erecta,它虽然长得矮小一些但是很健壮。Rédei认为,erecta特殊的表型可能利于后续的研究,并在一篇文章中将erecta发表。

在突变体筛选的过程中Rédei发现,Landsberg并不是纯合的,它可能是多个株系的混合物。于是,Rédei在未经X射线处理的Landsberg群体中挑选了一株,建立了一个新的纯合株系,用于后续的研究。遵从Laibachs根据发现地命名的规则,Rédei将这个新的株系命名为Columbia。

1959年,荷兰罗宁根大学的植物生物学家Willem Feenstra到Rédei实验室访问,带走了一些Landsberg erecta种子,用于自己的研究。从此以后,Landsberg erecta在欧洲各实验室开花结果,成了欧洲拟南芥研究的主流株系;而Rédei则继续专注于研究Columbia。

 

水滴石穿

在接下来的20多年,人们对拟南芥的兴趣逐渐增加,相关的研究也越来越多。到20世纪60年代,为了促进拟南芥研究者的合作交流,AIS(Arabidopsis Information Service)成立,每年对拟南芥的最新研究进展进行总结,并交流研究中遇到的问题。1965年,第一届国际拟南芥大会在德国的哥廷根举行,吸引了来自世界各地的25位科研人员参会。值得一提的是,AIS后来发展成了著名的TAIR(The Arabidopsis Information Resource )数据库。

看到了大家对拟南芥的兴趣越来越高,Rédei的内心又起了波澜。他决定重申Laibachs1943年的提议,于1975年发表了一篇题为 Arabidopsis as a genetic tool 的文章,重复了Laibachs早在30多年前就指出的拟南芥适于遗传学研究的优势,并再一次呼吁以拟南芥为模式植物。不过,仍然石沉大海,杳无音信。

直到20世纪80年代初期,多篇高影响力的拟南芥研究成果相继发表,确立拟南芥作为模式植物的事才算有了突破。1985年,Meyerowitz EM和Pruitt RE在Science上发表文章 Arabidopsis thaliana and Plant Molecular Genetics,再次重申Laibach和Rédei 分别于40年前和10年提出的拟南芥用于遗传学学研究的优势,并第三次呼吁确立拟南芥作为模式植物。和前两次不同,本次提议得到了大家的普遍认可。至此,经过了长达40年的隐忍,拟南芥终于作为一种模式生物,正式登上了国际舞台,并开启了自己辉煌的“学术生涯”。

 

同室操戈

 

在接下来的十几年,Landsberg erecta是世界各地拟南芥研究的“明星”,正混得风生水起。而Columbia还只是一个“无名小卒”,只在一部分美国实验室中“苟延残喘”,也许它做梦都不曾想到,自己竟然有机会成为拟南芥王国中的霸主,自己的子孙后代竟然可以遍布世界的每一个角落。

二十世纪末期,基因组测序技术迅猛发展。1996年,作为一种模式植物,拟南芥被选中进行基因组的测序和注释,因此需要选出一种生态型为材料。虽然当时Landsberg erecta在全球各大生物实验室中广泛使用,但是由于其曾经经过了X射线诱变,含有一些非自然变异位点,并不是最合适的材料。于是,科学家们只能忍痛割爱,以纯合的自然生态型Columbia代替。2002年,以生态型Columbia为代表的拟南芥基因组发表。随后,Columbia又被SALK研究所选中,进行全基因组T-DNA插入突变体的构建。这两项浩大的工程,直接确立并巩固了Columbia在拟南芥王国中的霸主地位,成为了我们在各大期刊中经常能见到的WT(Wild Type)。而从此往后,曾经的一代“霸主”Landsberg erecta却逐渐走向没落,再也没有机会东山再起。而这一切,都是源于Rédei最初从Laibach收到的Landsberg不是纯系。让我们不禁扼腕叹息,再一次感叹世事无常。

 

 

1996-今

时至今日,拟南芥已经渗透到了植物生物学研究的方方面面。许多研究领域,都是以拟南芥为研究对象首创的。据不完全统计,截止到2015年,已经有54033篇标题中含有拟南芥的学术论文发表,覆盖了406个生物学领域,而其他用到拟南芥为实验材料的文章更是数不胜数了。拟南芥中各种生物学过程的研究,都是最细致最深入的。当我们要研究某一课题时,最先想到的问题是“拟南芥中是怎样的”。现在,拟南芥已经成为了植物科学研究的金标准。

 

回顾拟南芥的“奋斗史”我们不难发现,科学研究的道路并不是一帆风顺的,而是在不断往复中曲折前进。科学研究归根到底还是以人为主体的,有人的地方就有江湖,科研中不可避免地会掺杂一些人性的狭隘和阴暗面,这些往往阻碍了科学发展,使我们走了许多弯路。但是,科学前进发展的步伐是无人能阻挡的。真理虽然有时会被乌云暂时遮蔽,但终会有重见天日光芒万丈的那一天。

经过长达四十年的忍辱负重,拟南芥这样一种不起眼的小草,终于走上了国际舞台,成为炙手可热的“学术明星”,而它也一定还会在科学研究的舞台上继续发光发热。作为一把“万能钥匙”,拟南芥也必将为我们打开更多通往生命奥秘的大门,带我们领略神奇而又美妙的生命世界。

 

参考资料
 

1. Somssich, M. (2018). A short history of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Columbia-0. Peer J PrePrints.

3. Meyerowitz, E. M., & Pruitt, R. E. (1985). Arabidopsis thaliana and plant molecular genetics. Science, 229(4719), 1214-1218.

 

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