尽管基因不守规矩，花朵却以惊人的精确度绽放

花一次又一次地以完美的图案长出茎、叶和花瓣。康奈尔大学的一项新研究表明，即使在植物中这种精确的、有模式的形成中，单个细胞内的基因活动也比从外部看起来要混乱得多。

这一发现对植物工程具有重要意义，在植物工程中，科学家设计人工基因开关来控制生长或行为。了解植物如何管理遗传“噪音”也可以为其他领域的研究提供信息，从预测性至关重要的合成生物学到随机基因活动可以驱动肿瘤进化的癌症研究。

这项研究发表在《自然通讯》上。

“最终，这项研究挑战了生物精度需要完美控制的观点，”农业与生命科学学院综合植物科学学院植物生物学系教授、威尔细胞与分子生物学研究所教授Adrienne Roeder说，她是这项研究的通讯作者。“相反，它表明大自然并没有消除随机性——它建立了可靠的系统和过程，尽管如此，这些系统和过程仍然有效。”合著者Shuyao Kong在威尔细胞与分子生物学研究所的Roeder实验室作为研究生发起并进行了这项工作。孔现在是哈佛医学院的博士后研究员。

研究人员检查了芥菜科的一种小植物拟南芥（Arabidopsis thaliana），以研究随机基因表达——基因可以随机开启或关闭的过程。研究小组发现，对生长素（一种指导花朵生长的激素）有反应的基因在细胞间以令人惊讶的随机方式被激活，即使激素信号相同。尽管有相同的指令，但细胞的行为是不可预测的。

研究小组使用发光的报告分子——当基因开启时会发出荧光的分子——来追踪三个生长素反应基因，包括一个名为DR5的基因。他们发现，尽管DR5活性是由生长素开启的，但它在不同细胞之间变化很大——不是因为生长素水平的差异，而是由于细胞内部的随机波动。

他们看到这种动态发生在植物的萼片中，萼片是芽基部坚固的绿色叶状器官，保护着新兴的花朵。尽管这些细胞各自“嘈杂”且不可预测，但这种植物会以完美的模式反复产生四个保护性萼片。Roeder说：“我真的以为，当我们到达这四个[萼片形成]区域时，随机性会大大减少，但事实并非如此。”。“不知何故，尽管有噪音，你仍然可以在萼片器官开始的地方看到这些非常清晰的斑块。”

尽管科学家们已经知道基因活动在分子水平上可能是嘈杂的，但这项研究表明，即使是由植物激素生长素触发的重要发育基因在单个细胞中也表现出随机性，为植物在器官形成过程中如何管理这种变异提供了新的见解。

研究发现，两个生长素反应基因AHP6和DOF5.8的随机性低于DR5，这表明植物可能有内在的机制在需要时抑制噪音。

研究小组表示，关键在于一个称为“空间平均”的过程。虽然单个细胞的行为不一致，但细胞群会协同工作以消除噪声，从而产生一个稳定的集体信号，植物可以利用这个信号来指导发育。Roeder说：“生物体可以在愿意的时候使用这种随机性，在不愿意的时候忽略它。”。“这太强大了。”

她说，这项研究提出了重要的问题。Roeder说：“空间平均是植物管理基因表达噪声的一种方式，但这种缓冲究竟是如何发生的，在什么条件下会失败？”。“当我们试图设计我们最喜欢的基因在有趣的地方表达时，我们如何将其纳入其中？”

撰稿人包括综合植物科学学院（CALS）的研究生Byron Rusnak和杜克大学博士后朱明元。p