論文專著：
發(fā)表論文：
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科學中國人報道：
李磊：探索植物背后的奧妙——北京大學生命科學學院研究員李磊
來源： 發(fā)布時間：2019-12-06
北京大學生命科學學院起源于1925年成立的北京大學生物學系，是我國高等院校中最早建立的生物學系之一。1952年全國高等學校院系調(diào)整時，北京大學、燕京大學和清華大學三校的生物學系合并，三泉匯流燕園，在此基礎(chǔ)上于1993年成立了北京大學生命科學學院。經(jīng)過幾代人的辛勤耕耘，如今，生命科學學院已在國內(nèi)享有盛名，蓬勃興旺的發(fā)展更令其躋身國際前列。2016年QS世界大學生命科學專業(yè)排名中，生命科學學院位列第38名，成為唯一進入世界前50的中國大學生物院系。
2014年，已經(jīng)旅居海外17年的李磊回到祖國，入職北京大學生命科學學院任研究員�；貒螅难芯恐饕杏谥参锘蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)及植物microRNA功能，并在植物對內(nèi)源信號和外源刺激協(xié)同應(yīng)答的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和分子機制研究上做出了一系列創(chuàng)新成果，已在Nature Genetics、The Plant Cell、PNAS、Genome Biology等刊物上發(fā)表論文40余篇。
盡管，植物科學近年來相對“冷門”，但是，因為對植物的熱愛，李磊仍舊在這一領(lǐng)域樂此不疲地探索著。他堅信植物科學對生命現(xiàn)象的探索是有一個獨特角度的，植物科學研究工作很重要。
探究植物MicroRNA基因的秘密
MicroRNAs（miRNAs-微型核糖核酸），是一種非編碼單鏈的小RNA分子，在轉(zhuǎn)錄后發(fā)揮著多種內(nèi)源性基因調(diào)控作用。自從1993年第一個miRNA（即秀麗隱桿線蟲中的lin-4被鑒定以來，已經(jīng)有數(shù)千個動植物miRNA被發(fā)現(xiàn)，科學家同時發(fā)現(xiàn)了這些miRNA在許多生物學過程中發(fā)揮調(diào)控作用。在植物中，miRNA能夠與其靶基因的互補序列結(jié)合，降解其靶基因，達到對細胞代謝進行調(diào)控的目的。進入21世紀后，隨著植物科學的快速發(fā)展，越來越多的人開始對植物miRNA基因網(wǎng)絡(luò)的解析與功能進行研究。
不過，在過去的十五六年里，大多數(shù)人的研究還集中在保守miRNA基因的研究上。“也就是說，這個植物也有，那個植物也有，就被認為是好的miRNA或者說是真正的miRNA。”李磊說道。然而在每一株植物中其實都存在著只有自身有，而其他植物沒有的獨特的miRNA基因。很多人認為，這些獨特的miRNA或許是錯誤的，抑或說，這些miRNA只是在演化歷史上短暫出現(xiàn)，因不具備生物學功能而終將被淘汰。因此，很少有人將精力放在對它們的探索上。
不過，李磊很早就意識到如果從生物信息的角度，或者從遺傳的角度上來看，這些獨特的miRNA都是實實在在的可能具有調(diào)控功能的基因。“如果不對它們進行研究的話，一是對miRNA整體的描述是不完整的，二是對基因資源的一種巨大浪費。也許它是某種植物所特有的，具有獨特功能，尤其在不同的植物對環(huán)境變化的適應(yīng)方面所發(fā)揮的作用�！被谶@種考慮，李磊和他的同事在10多年前研究了一套生物信息學分析方法，利用測序技術(shù)，結(jié)合基因組數(shù)據(jù)去準確地挖掘每種植物的miRNA。
挖掘到miRNA后，就要證明它的功能性。李磊和他的同事在擬南芥中分析了幾個小RNA的功能，將獨特的小RNA挖掘出來。有的小RNA能夠修飾細胞壁的組成，進而控制細胞的大小。而改變細胞的大小以后就會影響植物的形態(tài)變化，從而在不改變細胞個數(shù)的情況下促使植物生長變大。此外，李磊還將一些小RNA應(yīng)用于水稻中去增加它的表達，使水稻的米粒變大而不影響水稻的其他生長特性，增加了水稻的產(chǎn)量。李磊表示，在研究這些小RNA的過程中，他們除了用遺傳的方法去研究其功能外，還研究了這些小RNA是受什么樣的調(diào)控方式影響，決定它在不同的時間其細胞表達量是高還是低。
李磊介紹說：“針對我們關(guān)心的這些小RNA，去梳理清楚它下游控制哪些基因的表達量，它上游又有哪些調(diào)控的因子決定這些小RNA的時空表達量，使得它們在不同的發(fā)育時期，不同的細胞里再現(xiàn)其原有的表達量。這其實就是對miRNA基因網(wǎng)絡(luò)的研究�！�
進行miRNA基因網(wǎng)絡(luò)的研究，就不得不重視環(huán)境因素。植物的生長除了自身所具備的優(yōu)良性狀外，還要與所在的環(huán)境相契合。然而，如今全球變暖正愈演愈烈，極端天氣頻出，這些環(huán)境變化都會對植物的基因表達和發(fā)育進程產(chǎn)生影響。其中，光和銅元素就是兩個調(diào)控植物生長發(fā)育的重要的環(huán)境因子。雖然人們對光和銅的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制已經(jīng)各自有了較為系統(tǒng)的了解，但是二者是否會協(xié)同調(diào)控植物的生長發(fā)育及其協(xié)同調(diào)控的分子機制仍尚未明朗。
基于一系列分子生物學實驗，已知HY5和SPL7分別為介導(dǎo)光和銅信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子。李磊課題組通過分子和生化研究證實在擬南芥中這兩個轉(zhuǎn)錄因子之間存在互作，通過全基因組染色質(zhì)沉淀和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)HY5和SPL7可以共同調(diào)節(jié)多個基因。進一步研究發(fā)現(xiàn)SPL7和HY5共同結(jié)合在miR408基因的啟動子上，導(dǎo)致miR408及其靶基因的表達量在光強和銅含量變化時呈現(xiàn)差異表達，而這種調(diào)控方式與細胞中銅向葉綠體和質(zhì)體藍素的運輸和分配，以及光合作用的水平緊密相關(guān)。李磊課題組通過遺傳分析還發(fā)現(xiàn)，在HY5,SPL7和HY5/SPL7突變體中過表達miR408基因可以恢復(fù)這些突變體的表型缺陷。這些發(fā)現(xiàn)為研究環(huán)境因素如何通過miRNA協(xié)同調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育提供了新的認識。
2018年，李磊課題組又在miR408的功能和應(yīng)用研究中取得新進展。課題組選取了模式植物擬南芥以及兩類經(jīng)濟作物——煙草和水稻作為研究材料，通過基因工程手段，超量表達三種植物材料的miR408基因。研究結(jié)果表明，3種植物的幼苗生長相較于野生型都得到了顯著提高；并且測量成體材料葉片的凈光合速率、光受體Ⅱ的電子傳遞速率、葉綠素熒光的非光化學淬滅、質(zhì)體醌A還原程度和光受體Ⅰ氧化程度等指標表明，miR408過表達植株的光合作用能力顯著優(yōu)于野生型；另外，3種miR408過表達材料的種子大小也顯著增加，并且通過兩年兩地區(qū)的水稻田間實驗結(jié)果表明，miR408過表達的水稻材料其有效分蘗數(shù)、實粒數(shù)、千粒重和小區(qū)產(chǎn)量都得到了相應(yīng)提高。機制研究方面，miR408有效地提高了3種植物材料的細胞中銅離子在葉綠體中的分配比例，進而提高了光合電子傳遞鏈的“電子載體”——含銅蛋白質(zhì)體藍素的蛋白水平，同時顯著地增加了光合作用相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。
建立專業(yè)的植物miRNA數(shù)據(jù)庫
從植物miRNA首次發(fā)現(xiàn)距今的20年里，伴隨著鑒定出來的miRNA急劇增加，專業(yè)的miRNA儲存、分類、查詢的數(shù)據(jù)庫也應(yīng)運而生。目前已經(jīng)有了幾個數(shù)據(jù)庫，例如，miRBase、PMRD和PmiRKB，專門用于對與植物相關(guān)的miRNA信息進行歸檔，并且極大地促進了對miRNA的研究。然而，它們也存在著一些明顯的缺陷，即許多重要物種條目缺失，不同物種之間的注釋標準不一致，大量可疑條目和注釋信息有限等諸多問題。為了解決這些問題，李磊課題組與北京市農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心的楊效曾研究員課題組合作開發(fā)了“植物miRNA百科全書”數(shù)據(jù)庫（PmiREN）。
該數(shù)據(jù)庫使用miRDeep-P2軟件對測序的小RNA庫進行統(tǒng)一處理，然后使用最新更新的植物miRNA鑒定標準進行篩選，并給出全面的注釋。PmiREN目前有88個植物物種的1537個sRNA-Seq數(shù)據(jù)集，包含的植物范圍從藻類植物到被子植物。在使用以miRDeep-P2為中心的標準方法解析這些sRNA-Seq數(shù)據(jù)集時，使用更新的miRNA注釋標準與當前發(fā)布的miRBase進行比較，總共注釋了20388個miRNA，其中包括16422個首次鑒定到的高可信度的miRNA基因位點。
李磊表示，對于每一個miRNA條目，只要有可能，就會附上關(guān)于前體序列、前體二級結(jié)構(gòu)、表達模式、基因簇和基因組的位置信息、RNA末端平行分析（PARE）測序支持的潛在靶基因以及參考文獻。
PmiREN中的miRNA注釋具有幾個獨特的特征。首先，由于所有miRNA都是從sRNA-Seq數(shù)據(jù)集中解析出來的，所以miRNA表達信息可以直接從這些sRNA-Seq數(shù)據(jù)集的標準化中獲得。例如，在擬南芥中，來自不同組織和發(fā)育階段的所有miRNAs的表達模式，都可用于對在特定組織中表達的miRNAs進行聚類。其次，PmiREN對許多條目的miRNAs相關(guān)信息進行了糾正和修改，包括家族分配、成熟等，而這些信息在miRBase中被錯誤地進行了注釋。這種改進有助于從不同物種中識別miRNAs的演化關(guān)系。例如，根據(jù)一致的核苷酸和系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系，對miR156/157/529超家族進行人工修正后，便可以清晰地勾勒出其演化歷程：即miR156亞家族存在于所有物種中，而miR157只存在于雙子葉植物中，miR529只存在于單子葉植物中。通過基因組間的共線性分析，我們可以檢測到miRNA基因的產(chǎn)生和丟失。使用psRNATarget和RNAhybrid兩種不同的程序，對PmiREN中的miRNA進行靶基因預(yù)測，并通過PARE-Seq數(shù)據(jù)集進行驗證。
PmiREN提供了方便的訪問模式和8個搜索方式。用戶可以通過快捷方式和多層網(wǎng)頁瀏覽所有數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)都可以按批量或自定義的方式進行下載。因此也可以說，PmiREN是一個綜合性的功能數(shù)據(jù)庫，適用于數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究，并能夠作為植物miRNA研究的有用資源。李磊說道：“我覺得做科研，一方面是要自己去發(fā)現(xiàn)，另一方面要把自己的發(fā)現(xiàn)分享出來，讓更多的人從不同的角度去研究這個東西。這也是我們做這個數(shù)據(jù)庫的初衷�！�
熱衷科普的植物學家
植物學涉及生活的方方面面，“大到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會進步、可持續(xù)發(fā)展，小到人的健康、飲食、生活習慣”，其重要性十分顯著。不過，因為大眾長久以來對植物學的認識誤區(qū)，“提到植物學，大家都覺得是種莊稼”，所以大部分學生對植物學都不太了解，甚至不太感興趣。
作為這個領(lǐng)域的科研者，李磊也能理解為什么大眾會對植物科學產(chǎn)生這樣的印象。但是，理解不代表認同，在他看來，科學技術(shù)的進步依賴于對整個世界認知的進步，歸根到底，植物科學相比于其他科學本質(zhì)上沒有什么區(qū)別，都是在探索自然界的秘密，探索生物現(xiàn)象背后的規(guī)律。他說道：“其實植物是很值得研究的，它們有著獨特的生命活動規(guī)律，適應(yīng)環(huán)境、改造環(huán)境的生活方式與動物不同，論聰明才智一點不輸于動物。”
為了讓更多的學生了解植物科學，也為了提高他們對植物學的興趣，2015年，北京大學生命科學學院開設(shè)“舌尖上的植物學”一課，隨后，北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院也開設(shè)了該課。這門公選課由中國科學院院士許智宏教授、美國科學院院士鄧興旺教授和李磊共同授課。
“舌尖上的植物學”第一次開課的時候，李磊其實并沒有多少把握，甚至做好了無人問津的心理準備。而真實情況卻大大出乎他的意料，在沒有進行任何宣傳的情況下，竟然有140個學生選了這門課，這給予了他巨大的鼓勵，也給他帶來了不小的壓力，“我們確實沒想到會有這么多同學選擇這門課程”�！吧嗉馍系闹参飳W”開課4年來，每一年開學，李磊都要安排調(diào)換教室。因為選擇這門課的學生每年都在增加。2018年時，選擇這門課程的學生已經(jīng)達到了300多人。
除了同學們的支持，同事對李磊的幫助也很令他感激。作為這門課的發(fā)起人之一，許智宏校長在社會事務(wù)極其繁忙的情況下，依然堅持每年來上兩次課。每次講課時，許智宏校長都聚精會神，兩節(jié)課下來連水都不喝，有同學請他坐著講，也被他婉言謝絕了。談到許智宏校長的付出，李磊的話語里充滿尊敬。在他看來，許智宏校長給他做了很好的表率，“老一輩科學家這種認真負責的精神，確實非常值得我們學習”。除此之外，另一位主講人鄧興旺教授也在這門課上投入了很多的精力，“他會邀請國內(nèi)植物科學領(lǐng)域幾位很有影響力的科學家來給大家講課，每年邀請的人都不一樣，希望給大家增加一些新的不一樣的內(nèi)容”。
盡管“舌尖上的植物學”已經(jīng)走在了科普類通選課的前列，但在李磊看來，這門課程依然在摸索和完善的過程中。老師們在給學生講完以后會聽取學生的反饋，在此基礎(chǔ)上，再做些調(diào)整和改進，增加授課的靈活性。李磊說：“只要同學們愿意聽，那我們就要盡力把這個課上好，也一直上下去�！�
熱愛科研，熱愛植物。在植物科學研究這條道路上，李磊一直是一個追夢人。如今，他正通過自己所能做到的形式把這份追夢的熱情傳遞給更多的年輕人。
來源：科學中國人 2019年10月下
李磊，現(xiàn)任北京大學生命科學學院研究員，博士生導(dǎo)師，植物microRNA網(wǎng)絡(luò)與功能研究組組長。
科學研究：
