“我要上PC”—小麦领域Plant Cell上论文合辑（九）
编者按：尽管近两年的IF不是很理想，Plant Cell（下简称PC）无疑仍是也将会继续是植物学研究的殿堂级期刊。从11月28日小编推送PC上小麦种子萌发/休眠的QTL文章开始，接下来每周周二，我们会将2005年以后在PC上发表的小麦领域研究论文进行逐一梳理和推送，以飨读者。需要特别指出的是，本合辑题为“我要上PC”，是比照“我要上春晚”而诙谐命名；由于对研究内容要求较系统、文章发表要求较高和审稿机制较严格，PC上面的文章确实值得深入学习；但我们公众号倡导大家把更多的目光放在学习这些文章的思路、内容和意义上，而不是只看重和崇拜高影响因子^_^。
最近中华大地上从北到南，白雪皑皑。看到一些做其他作物的童鞋，尤其是做大棚蔬菜研究的小伙伴，聊到大雪对这些作物的危害。不禁想到冬小麦的神奇，正所谓“冬天麦盖三层被，来年枕着馒头睡”，说的就是雪对于小麦的利处。而在小麦研究领域，春化、耐寒研究也是亮点满满的一个方向，包括Jorge院士和严六零老师克隆的VRN1-VRN4，以及种康院士组的工作（种院士可不是只做水稻，也做小麦哦）。所以，当常常听到有学生感叹小麦研究就是一个坑，我很想说，这个坑里有很多在别的坑挖不到的宝藏呢。
今天讲解是2012年1月在PC上发表的文章“The Ph1 Locus Suppresses Cdk2-Type Activity during Premeiosis and Meiosis in Wheat”，关于小麦中独有的另一个宝藏的故事。其实Ph1的故事小编很早就知道，一直不敢写，一来这个遗传位点研究历史悠久，二来这个位点太经典、太有名，但又比较复杂，所以小编很怕能力有限，写不好。15年小编与一位利用酵母等做DNA复制和减数分裂方向“大生物学”基础研究的“青千”（回国两年，17年该青千在Cell上发表文章）聊天，没想到他也知道小麦中的Ph1，可见Ph1的名气。今天硬着头皮写，不对之处还请海涵，欢迎指正。
书归正传，该文主要在JIC完成，通讯作者是执着Ph1多年的Graham Moore教授。Ph1到底是负责什么的遗传位点呢？为什么说它是小麦独有的研究宝藏呢？我们一直说，小麦是异源六倍体作物，基因组是AABBDD，那么AA是像二倍体植物那样的同源染色体（Homologous chromosomes），而A与B（或D）则是多倍体植物特有的部分同源染色体（Homoeologous chromosomes）（见下图）。虽然称为部分同源染色体，但其之间相似度太太太高了，所以在减数分裂等的同源染色体配对（pairing）过程中，就容易出现一个问题：部分同源染色体被当做同源染色体而配对。Ph1（Pairing homoeologous 1）就是这个过程的核心调控位点，通过促进同源染色体配对，而避免部分同源染色体配对，从而维持了小麦的基因组稳定性和遗传育性。
Moore教授曾在2008年写过一篇综述，题为“The Ph1 locus - a story 50 years in the making”。1958年，Riley和Chapman在Nature杂志报道了小麦5B染色体上存在一个遗传位点（Ph1）,控制小麦的减数分裂染色体配对，揭开了故事的帷幕（下图）。时光飞逝到2018年，Ph1的故事已经持续了60年之久。这60年里，一方面，以Sears等小麦先驱研究者为代表，尝试通过操纵Ph1，提高染色体重组效率，促进小麦与其他近缘物种的种间杂交，加速小麦的育种；另一方面，随着遗传学和分子生物学的发展，以Moore为代表，尝试着通过图位克隆等手段去鉴定Ph1的基因和其背后的分子机制。
2006年，Moore组在Nature报道了Ph1的图位克隆结果（下图），将Ph1定位为5B染色体一段2.5Mb的区域，这段区域中包含一段亚端粒异染色质片段（a segment of subtelomeric heterochromatin），这个片段有一串成串分布的cdc2（后称为cdk2）基因，预测最有可能是Ph1的候选基因。但是奇怪的是，这串cdc2是一串假基因。
2007年，为了进一步说明这串cdc2就是Ph1的候选基因，Moore组又在Annals of Botany上发表“Detailed Dissection of the Chromosomal RegionContaining the Ph1 Locus in Wheat Triticum aestivum: With Deletion Mutants and Expression Profiling”，利用更多的突变体（由于cdc2是假基因，不适合做转基因），表达分析发现5B上的cdc2虽然是假基因，但可以影响5A和5D上的CDC2基因的表达，这可能是Ph1的作用机制。这里说一下CDC2到底是什么，其蛋白与哺乳动物的CDK2蛋白（cyclin-dependent kinase，周期蛋白依赖激酶）同源性最高，CDK2蛋白在动物等中已经证明，其磷酸化功能可以影响染色体凝聚状态（chromosome condensation）而调控细胞周期、DNA复制过程。
这还没完，2008年，小麦研究的大牛Diter von Wettstein和Kulvinder S. Gill在PNAS也报道了Ph1的图位克隆结果，这次他们将Ph1定位到450kb的区域内，并暗示这段区域内的减数分裂特异基因Zip1, Scp1, Cor1, RAD50, RAD51, 和RAD57（尤其RAD系列可是减数分裂过程大名鼎鼎的调控蛋白）有可能是Ph1的候选基因。
所以这篇12年的PC算是Moore组进一步证明为什么成串cdc2是Ph1的候选基因。研究主要是基于CDK2的作用机理，也就是CDK2的磷酸化功能，依靠药理学实验、遗传材料，分析了Ph1+和Ph1-材料中组蛋白H1的磷酸化程度，得出了“cdc2抑制其他CDC2基因的表达，进而影响到组蛋白H1等减数分裂重要蛋白磷酸化”的model。其在摘要中的这句“Our study does indeed reveal such effects, suggesting that Cdk2-type phosphorylation has amajor role in determining chromosome specificity during meiosis.”的背后意思确实也值得品味。
不管怎样，Ph1的发现和应用对于小麦的育种工作至关重要，所以解析Ph1的负责基因和其背后的作用机制也意义重大。不管成串的cdc2是不是Ph1的真正基因，Moore组提出的这个model也是很有意思的，尤其对于小麦这样一个存在大量重复基因和假基因的物种来说。这个model看似有点绕，又很新奇，或许这就是你们说的小麦就是一个坑吧，哈哈~