形态建成（morphogenesis）首先需要关键基因和蛋白分布斑图（patterning）的建立。器官形态建成过程中经常需要维持相互拮抗的基因同时表达。相邻分布的基因之间经常存在相互抑制的拮抗作用，维持二者表达区域的互斥。二者又需要共同存在，不能由一方完全抑制对方。例如，植物叶片原基和花原基都划分为近轴面和远轴面，二者相互拮抗但同时稳定存在。
2022年6月8日北京大学生命科学学院焦雨铃课题组与国际数学中心/定量生物学中心张磊课题组在ScienceAdvances合作发表了题为“Coactivationofantagonisticgenesstabilizespolaritypatterningduringshootorganogenesis”的研究论文，提出了上游因子同时激活相互拮抗的下游基因能够维持发育斑图的稳态。
叶片原基和花原基均在靠近分生组织的近轴面表达REVOLUTA(REV)，在与之互补的远轴面表达KANADI1(KAN1)。之前的研究早已发现二者互相拮抗，但却无法解释为何二者能够共存，其表达区域均不会被对方挤压而消失。
图1.初生原基中维持互斥的
近轴面（REV）和远轴面基因（KAN1）的表达
本研究首先模拟了可能调控机制能够形成的发育斑图。计算模拟表明如果只有二者的拮抗会导致“一边倒”的结果，仅得到单一的基因表达。之前有研究者猜测生长素作为上游信号能够激活REV表达并抑制KAN1表达，但模拟表明这样的调控会加速“一边倒”，使近轴面区域迅速清空远轴面区域。因此，本研究提出了一个“跷跷板”模型——生长素信号同时激活REV和KAN1的表达以稳定维持两个区域的共存，从而在理论上可以维持发育斑图。
图2.计算模拟表明上游同时激活下游拮抗基因表达的
跷跷板模型（模拟5）能够维持发育斑图
研究进一步通过实验在拟南芥中验证了所预测的调控，发现生长素信号通路的关键转录因子MONOPTEROS(MP)直接激活REV和KAN1的表达。研究还发现REV作为转录因子直接抑制KAN1表达。此外，研究还发现在以上调控网络中存在更为复杂的调控。例如，REV同时激活MP的表达，并和另一个转录因子PRESSEDFLOWER(PRS)相互激活；而PRS抑制KAN1表达。一系列分子生物学和活体成像实验验证了这些调控。高级突变体、异位表达转基因等遗传实验也佐证了以上调控的存在。将新发现的调控均加入模型后，新的模拟结果与实际基因表达斑图更加接近。
以上研究不仅解答了叶片和花原基中近-远轴面基因的维持机制，还从理论上提出了发育斑图稳态维持的新模式：上游因子同时激活相互拮抗的基因表达可以形成稳定的发育模式。
中科院遗传发育所关春梅副研究员和北京大学2020届博士毕业生乔灵霞（现加州大学圣地亚哥分校博士后）为该论文的共同第一作者，焦雨铃教授和张磊副教授为论文的共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金委员会、科技部重点研发计划等项目的资助。
研究组介绍
焦雨铃：
北京大学生命科学学院博雅特聘教授、博士生导师，北京大学-清华大学生命科学联合中心研究员，中共党员。
实验室研究领域：
本实验室综合单细胞转录组分析、活体成像、分子遗传学、数学建模等方法，研究植物器官塑形。本实验室还开展合成基因组学研究，力图建立植物人工染色体技术。主要研究领域包括：
2.干细胞重建：叶片的基部（叶腋处）能够形成新的干细胞团和分生组织，称为侧生分生组织。侧生分生组织产生侧芽，使植物能够产生分枝。开花后侧生分生组织形成花序分枝。因此，侧生干细胞的活性是决定植物形态和作物产量的重要因素。本实验室通过活体成像、转录谱分析、以及遗传分析研究侧生干细胞团重建的转录调控网络。
3.植物人工染色体：合成生命是生命科学的新前沿。物理学家费曼说过：“WhatIcannotcreate,Idonotunderstand”。在细菌、酵母中，科学家已经获得了完全人工合成的染色体，不仅深化了对基因组的认识，更为快速进化、重编程代谢通路提供了技术平台。在更为复杂的多细胞生物中，人工合成基因组尚未突破。本实验室与合作者力图在植物中建立基因组操作的技术体系，实现突破。
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