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ATR在玉米籽粒发育过程中起到的关键作用

2021.6.07

　　2021年6月4日，比利时哥特大学植物系统生物学中心科研团队，在著名学术期刊The Plant Cell发表题为“Maize ATR Safeguards Genome Stability During Kernel Development to Prevent Early Endosperm Endocycle Onset and Cell Death”的研究论文。本研究揭示了ATR通过控制胚的发育、保证基因组的稳定性，在玉米籽粒发育过程中起关键作用。

　　研究背景

　　严峻的外界环境会导致植物DNA复制异常或者基因组部分缺失。植物细胞为应对不良的外界环境，会激活自身高度协调的细胞网络，该过程称为DNA损伤响应(DNA damage response,DDR)。DDR的激活依赖于两个蛋白激酶，分别是ATM(Ataxia-telangiectasia mutated) 和ATR(ATM and Rad3-related)。在哺乳动物中，阻断ATR的表达会抑制其胚胎发育；而拟南芥atm、atr突变体在正常生长条件下，并没有表现出营养生长的缺陷。迄今为止，ATM、ATR在农作物种子发育过程中的功能并没有被深入探讨。

　　主要结果

　　前人研究利用PLAZA平台鉴定出玉米ATM和ATR蛋白。在此基础上，研究者首先利用CRISPR/Cas9技术对两个基因进行基因编辑。由于拟南芥ATR的缺失会使DNA复制过程减缓。为了验证玉米ATR是否有相类似的功能，研究者使用核糖核苷酸还原酶抑制剂HU进行处理。结果显示，HU处理后，Zmatr突变体根长及地上部分长度缩短程度都明显强于野生型。该结果说明，ZmATR在复制性应激反应中起着保守作用。

　　接下来，研究者使用能够产生DNA双链断裂（DSB）的zeocin对突变体进行外源处理。处理后，Zmatm及Zmatr突变体根长均明显变短，并且Zmatr展现了更高的敏感性。使用γ射线进行处理，产生了相类似的结果。以上结果表明，与酵母和哺乳动物相类似，ZmATR在玉米DNA双链断裂引发的DDR中发挥了关键作用，而ZmATM在严重DNA损伤条件下发挥作用。

　　维持基因组完整性的一个基本机制是DNA损伤处γH2AX以ATM和ATR依赖的方式积累。为了确定Zmatr和Zmatm突变体对DNA损伤剂的敏感性是否与修复能力的丧失和DNA损伤积累有关，研究者对植物根尖的细胞核进行了γH2AX聚焦免疫检测。检测结果显示，ATR 和 ATM 在 DNA 修复和细胞周期检查点激活中发挥关键作用。在正常生长条件下，拟南芥植株不会受到 ATR 缺失的影响，而玉米突变植物复制缺陷明显积累，这可能是由于玉米基因组较大所导致的。

　　表型观察显示，Zmatr突变体展现了更小的穗轴，穗轴上的粒数也明显减少，育性出现了问题。杂交实验证实Zmatr的雌配子体存在异常。由于授粉后16天的胚中DNA复制最为活跃，研究者选取此阶段对突变体中DNA的损伤是否存在异常进行了观察。研究者通过分析γH2AX检测结果证实ZmATR和ZmATM的缺失导致了胚胎的内源性DNA损伤。

　　图 Zmatr和Zmatm突变的穗轴和籽粒表型分析

　　由于玉米ATR和ATM在胚和胚乳中的表达强度都比较高，研究者进一步检测了两者对胚乳功能的影响。研究者通过使用流式细胞仪对突变体的胚乳进行了分析，结果显示缺失ATM基因会引起胚乳细胞核内复制提前。而ATR基因的缺失导致了谷粒尺寸、蛋白质和淀粉含量的减少以及细胞死亡的增加。最后，研究者通过杂交，并不能成功获得玉米双突变植株，证实ATM和ATR激酶在玉米中存在的必要性。