ATR在玉米籽粒發育過程中起到的關鍵作用
2021年6月4日，比利時哥特大學植物系統生物學中心科研團隊，在著名學術期刊The Plant Cell發表題為“Maize ATR Safeguards Genome Stability During Kernel Development to Prevent Early Endosperm Endocycle Onset and Cell Death”的研究論文。本研究揭示了ATR通過控制胚的發育、保證基因組的穩定性，在玉米籽粒發育過程中起關鍵作用。
研究背景
嚴峻的外界環境會導致植物DNA復制異常或者基因組部分缺失。植物細胞為應對不良的外界環境，會激活自身高度協調的細胞網絡，該過程稱為DNA損傷響應(DNA damage response,DDR)。DDR的激活依賴于兩個蛋白激酶，分別是ATM(Ataxia-telangiectasia mutated) 和ATR(ATM and Rad3-related)。在哺乳動物中，阻斷ATR的表達會抑制其胚胎發育；而擬南芥atm、atr突變體在正常生長條件下，并沒有表現出營養生長的缺陷。迄今為止，ATM、ATR在農作物種子發育過程中的功能并沒有被深入探討。
主要結果
前人研究利用PLAZA平臺鑒定出玉米ATM和ATR蛋白。在此基礎上，研究者首先利用CRISPR/Cas9技術對兩個基因進行基因編輯。由于擬南芥ATR的缺失會使DNA復制過程減緩。為了驗證玉米ATR是否有相類似的功能，研究者使用核糖核苷酸還原酶抑制劑HU進行處理。結果顯示，HU處理后，Zmatr突變體根長及地上部分長度縮短程度都明顯強于野生型。該結果說明，ZmATR在復制性應激反應中起著保守作用。
接下來，研究者使用能夠產生DNA雙鏈斷裂（DSB）的zeocin對突變體進行外源處理。處理后，Zmatm及Zmatr突變體根長均明顯變短，并且Zmatr展現了更高的敏感性。使用γ射線進行處理，產生了相類似的結果。以上結果表明，與酵母和哺乳動物相類似，ZmATR在玉米DNA雙鏈斷裂引發的DDR中發揮了關鍵作用，而ZmATM在嚴重DNA損傷條件下發揮作用。
維持基因組完整性的一個基本機制是DNA損傷處γH2AX以ATM和ATR依賴的方式積累。為了確定Zmatr和Zmatm突變體對DNA損傷劑的敏感性是否與修復能力的喪失和DNA損傷積累有關，研究者對植物根尖的細胞核進行了γH2AX聚焦免疫檢測。檢測結果顯示，ATR 和 ATM 在 DNA 修復和細胞周期檢查點激活中發揮關鍵作用。在正常生長條件下，擬南芥植株不會受到 ATR 缺失的影響，而玉米突變植物復制缺陷明顯積累，這可能是由于玉米基因組較大所導致的。
表型觀察顯示，Zmatr突變體展現了更小的穗軸，穗軸上的粒數也明顯減少，育性出現了問題。雜交實驗證實Zmatr的雌配子體存在異常。由于授粉后16天的胚中DNA復制最為活躍，研究者選取此階段對突變體中DNA的損傷是否存在異常進行了觀察。 研究者通過分析γH2AX檢測結果證實ZmATR和ZmATM的缺失導致了胚胎的內源性DNA損傷。
圖 Zmatr和Zmatm突變的穗軸和籽粒表型分析
由于玉米ATR和ATM在胚和胚乳中的表達強度都比較高，研究者進一步檢測了兩者對胚乳功能的影響。研究者通過使用流式細胞儀對突變體的胚乳進行了分析，結果顯示缺失ATM基因會引起胚乳細胞核內復制提前。而ATR基因的缺失導致了谷粒尺寸、蛋白質和淀粉含量的減少以及細胞死亡的增加。最后，研究者通過雜交，并不能成功獲得玉米雙突變植株，證實ATM和ATR激酶在玉米中存在的必要性。
結果意義
綜上所述，本實驗證實了ATR 和 ATM 在 DNA 修復和細胞周期檢查點激活中發揮關鍵作用，強調了基因組完整性的維護機制對植物發育的影響可能比我們預期的更為重要。
