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科学中国人报道：
李磊：探索植物背后的奥妙——北京大学生命科学学院研究员李磊
来源： 发布时间：2019-12-06
北京大学生命科学学院起源于1925年成立的北京大学生物学系，是我国高等院校中最早建立的生物学系之一。1952年全国高等学校院系调整时，北京大学、燕京大学和清华大学三校的生物学系合并，三泉汇流燕园，在此基础上于1993年成立了北京大学生命科学学院。经过几代人的辛勤耕耘，如今，生命科学学院已在国内享有盛名，蓬勃兴旺的发展更令其跻身国际前列。2016年QS世界大学生命科学专业排名中，生命科学学院位列第38名，成为唯一进入世界前50的中国大学生物院系。
2014年，已经旅居海外17年的李磊回到祖国，入职北京大学生命科学学院任研究员。回国后，他的研究主要集中于植物基因调控网络及植物microRNA功能，并在植物对内源信号和外源刺激协同应答的网络基础和分子机制研究上做出了一系列创新成果，已在Nature Genetics、The Plant Cell、PNAS、Genome Biology等刊物上发表论文40余篇。
尽管，植物科学近年来相对“冷门”，但是，因为对植物的热爱，李磊仍旧在这一领域乐此不疲地探索着。他坚信植物科学对生命现象的探索是有一个独特角度的，植物科学研究工作很重要。
探究植物MicroRNA基因的秘密
MicroRNAs（miRNAs-微型核糖核酸），是一种非编码单链的小RNA分子，在转录后发挥着多种内源性基因调控作用。自从1993年第一个miRNA（即秀丽隐杆线虫中的lin-4被鉴定以来，已经有数千个动植物miRNA被发现，科学家同时发现了这些miRNA在许多生物学过程中发挥调控作用。在植物中，miRNA能够与其靶基因的互补序列结合，降解其靶基因，达到对细胞代谢进行调控的目的。进入21世纪后，随着植物科学的快速发展，越来越多的人开始对植物miRNA基因网络的解析与功能进行研究。
不过，在过去的十五六年里，大多数人的研究还集中在保守miRNA基因的研究上。“也就是说，这个植物也有，那个植物也有，就被认为是好的miRNA或者说是真正的miRNA。”李磊说道。然而在每一株植物中其实都存在着只有自身有，而其他植物没有的独特的miRNA基因。很多人认为，这些独特的miRNA或许是错误的，抑或说，这些miRNA只是在演化历史上短暂出现，因不具备生物学功能而终将被淘汰。因此，很少有人将精力放在对它们的探索上。
不过，李磊很早就意识到如果从生物信息的角度，或者从遗传的角度上来看，这些独特的miRNA都是实实在在的可能具有调控功能的基因。“如果不对它们进行研究的话，一是对miRNA整体的描述是不完整的，二是对基因资源的一种巨大浪费。也许它是某种植物所特有的，具有独特功能，尤其在不同的植物对环境变化的适应方面所发挥的作用。”基于这种考虑，李磊和他的同事在10多年前研究了一套生物信息学分析方法，利用测序技术，结合基因组数据去准确地挖掘每种植物的miRNA。
挖掘到miRNA后，就要证明它的功能性。李磊和他的同事在拟南芥中分析了几个小RNA的功能，将独特的小RNA挖掘出来。有的小RNA能够修饰细胞壁的组成，进而控制细胞的大小。而改变细胞的大小以后就会影响植物的形态变化，从而在不改变细胞个数的情况下促使植物生长变大。此外，李磊还将一些小RNA应用于水稻中去增加它的表达，使水稻的米粒变大而不影响水稻的其他生长特性，增加了水稻的产量。李磊表示，在研究这些小RNA的过程中，他们除了用遗传的方法去研究其功能外，还研究了这些小RNA是受什么样的调控方式影响，决定它在不同的时间其细胞表达量是高还是低。
李磊介绍说：“针对我们关心的这些小RNA，去梳理清楚它下游控制哪些基因的表达量，它上游又有哪些调控的因子决定这些小RNA的时空表达量，使得它们在不同的发育时期，不同的细胞里再现其原有的表达量。这其实就是对miRNA基因网络的研究。”
进行miRNA基因网络的研究，就不得不重视环境因素。植物的生长除了自身所具备的优良性状外，还要与所在的环境相契合。然而，如今全球变暖正愈演愈烈，极端天气频出，这些环境变化都会对植物的基因表达和发育进程产生影响。其中，光和铜元素就是两个调控植物生长发育的重要的环境因子。虽然人们对光和铜的信号转导机制已经各自有了较为系统的了解，但是二者是否会协同调控植物的生长发育及其协同调控的分子机制仍尚未明朗。
基于一系列分子生物学实验，已知HY5和SPL7分别为介导光和铜信号转导的转录因子。李磊课题组通过分子和生化研究证实在拟南芥中这两个转录因子之间存在互作，通过全基因组染色质沉淀和转录组数据分析发现HY5和SPL7可以共同调节多个基因。进一步研究发现SPL7和HY5共同结合在miR408基因的启动子上，导致miR408及其靶基因的表达量在光强和铜含量变化时呈现差异表达，而这种调控方式与细胞中铜向叶绿体和质体蓝素的运输和分配，以及光合作用的水平紧密相关。李磊课题组通过遗传分析还发现，在HY5,SPL7和HY5/SPL7突变体中过表达miR408基因可以恢复这些突变体的表型缺陷。这些发现为研究环境因素如何通过miRNA协同调节植物的生长发育提供了新的认识。
2018年，李磊课题组又在miR408的功能和应用研究中取得新进展。课题组选取了模式植物拟南芥以及两类经济作物——烟草和水稻作为研究材料，通过基因工程手段，超量表达三种植物材料的miR408基因。研究结果表明，3种植物的幼苗生长相较于野生型都得到了显著提高；并且测量成体材料叶片的净光合速率、光受体Ⅱ的电子传递速率、叶绿素荧光的非光化学淬灭、质体醌A还原程度和光受体Ⅰ氧化程度等指标表明，miR408过表达植株的光合作用能力显著优于野生型；另外，3种miR408过表达材料的种子大小也显著增加，并且通过两年两地区的水稻田间实验结果表明，miR408过表达的水稻材料其有效分蘖数、实粒数、千粒重和小区产量都得到了相应提高。机制研究方面，miR408有效地提高了3种植物材料的细胞中铜离子在叶绿体中的分配比例，进而提高了光合电子传递链的“电子载体”——含铜蛋白质体蓝素的蛋白水平，同时显著地增加了光合作用相关基因的转录水平。
建立专业的植物miRNA数据库
从植物miRNA首次发现距今的20年里，伴随着鉴定出来的miRNA急剧增加，专业的miRNA储存、分类、查询的数据库也应运而生。目前已经有了几个数据库，例如，miRBase、PMRD和PmiRKB，专门用于对与植物相关的miRNA信息进行归档，并且极大地促进了对miRNA的研究。然而，它们也存在着一些明显的缺陷，即许多重要物种条目缺失，不同物种之间的注释标准不一致，大量可疑条目和注释信息有限等诸多问题。为了解决这些问题，李磊课题组与北京市农林科学院农业生物技术研究中心的杨效曾研究员课题组合作开发了“植物miRNA百科全书”数据库（PmiREN）。
该数据库使用miRDeep-P2软件对测序的小RNA库进行统一处理，然后使用最新更新的植物miRNA鉴定标准进行筛选，并给出全面的注释。PmiREN目前有88个植物物种的1537个sRNA-Seq数据集，包含的植物范围从藻类植物到被子植物。在使用以miRDeep-P2为中心的标准方法解析这些sRNA-Seq数据集时，使用更新的miRNA注释标准与当前发布的miRBase进行比较，总共注释了20388个miRNA，其中包括16422个首次鉴定到的高可信度的miRNA基因位点。
李磊表示，对于每一个miRNA条目，只要有可能，就会附上关于前体序列、前体二级结构、表达模式、基因簇和基因组的位置信息、RNA末端平行分析（PARE）测序支持的潜在靶基因以及参考文献。
PmiREN中的miRNA注释具有几个独特的特征。首先，由于所有miRNA都是从sRNA-Seq数据集中解析出来的，所以miRNA表达信息可以直接从这些sRNA-Seq数据集的标准化中获得。例如，在拟南芥中，来自不同组织和发育阶段的所有miRNAs的表达模式，都可用于对在特定组织中表达的miRNAs进行聚类。其次，PmiREN对许多条目的miRNAs相关信息进行了纠正和修改，包括家族分配、成熟等，而这些信息在miRBase中被错误地进行了注释。这种改进有助于从不同物种中识别miRNAs的演化关系。例如，根据一致的核苷酸和系统发生关系，对miR156/157/529超家族进行人工修正后，便可以清晰地勾勒出其演化历程：即miR156亚家族存在于所有物种中，而miR157只存在于双子叶植物中，miR529只存在于单子叶植物中。通过基因组间的共线性分析，我们可以检测到miRNA基因的产生和丢失。使用psRNATarget和RNAhybrid两种不同的程序，对PmiREN中的miRNA进行靶基因预测，并通过PARE-Seq数据集进行验证。
PmiREN提供了方便的访问模式和8个搜索方式。用户可以通过快捷方式和多层网页浏览所有数据。所有数据都可以按批量或自定义的方式进行下载。因此也可以说，PmiREN是一个综合性的功能数据库，适用于数据挖掘和数据驱动的研究，并能够作为植物miRNA研究的有用资源。李磊说道：“我觉得做科研，一方面是要自己去发现，另一方面要把自己的发现分享出来，让更多的人从不同的角度去研究这个东西。这也是我们做这个数据库的初衷。”
热衷科普的植物学家
植物学涉及生活的方方面面，“大到农业生产、社会进步、可持续发展，小到人的健康、饮食、生活习惯”，其重要性十分显著。不过，因为大众长久以来对植物学的认识误区，“提到植物学，大家都觉得是种庄稼”，所以大部分学生对植物学都不太了解，甚至不太感兴趣。
作为这个领域的科研者，李磊也能理解为什么大众会对植物科学产生这样的印象。但是，理解不代表认同，在他看来，科学技术的进步依赖于对整个世界认知的进步，归根到底，植物科学相比于其他科学本质上没有什么区别，都是在探索自然界的秘密，探索生物现象背后的规律。他说道：“其实植物是很值得研究的，它们有着独特的生命活动规律，适应环境、改造环境的生活方式与动物不同，论聪明才智一点不输于动物。”
为了让更多的学生了解植物科学，也为了提高他们对植物学的兴趣，2015年，北京大学生命科学学院开设“舌尖上的植物学”一课，随后，北京大学现代农学院也开设了该课。这门公选课由中国科学院院士许智宏教授、美国科学院院士邓兴旺教授和李磊共同授课。
“舌尖上的植物学”第一次开课的时候，李磊其实并没有多少把握，甚至做好了无人问津的心理准备。而真实情况却大大出乎他的意料，在没有进行任何宣传的情况下，竟然有140个学生选了这门课，这给予了他巨大的鼓励，也给他带来了不小的压力，“我们确实没想到会有这么多同学选择这门课程”。“舌尖上的植物学”开课4年来，每一年开学，李磊都要安排调换教室。因为选择这门课的学生每年都在增加。2018年时，选择这门课程的学生已经达到了300多人。
除了同学们的支持，同事对李磊的帮助也很令他感激。作为这门课的发起人之一，许智宏校长在社会事务极其繁忙的情况下，依然坚持每年来上两次课。每次讲课时，许智宏校长都聚精会神，两节课下来连水都不喝，有同学请他坐着讲，也被他婉言谢绝了。谈到许智宏校长的付出，李磊的话语里充满尊敬。在他看来，许智宏校长给他做了很好的表率，“老一辈科学家这种认真负责的精神，确实非常值得我们学习”。除此之外，另一位主讲人邓兴旺教授也在这门课上投入了很多的精力，“他会邀请国内植物科学领域几位很有影响力的科学家来给大家讲课，每年邀请的人都不一样，希望给大家增加一些新的不一样的内容”。
尽管“舌尖上的植物学”已经走在了科普类通选课的前列，但在李磊看来，这门课程依然在摸索和完善的过程中。老师们在给学生讲完以后会听取学生的反馈，在此基础上，再做些调整和改进，增加授课的灵活性。李磊说：“只要同学们愿意听，那我们就要尽力把这个课上好，也一直上下去。”
热爱科研，热爱植物。在植物科学研究这条道路上，李磊一直是一个追梦人。如今，他正通过自己所能做到的形式把这份追梦的热情传递给更多的年轻人。
来源：科学中国人 2019年10月下
李磊，现任北京大学生命科学学院研究员，博士生导师，植物microRNA网络与功能研究组组长。
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