人们在植物遗传学研究中经常发现，某一目标基因功能丧失型突变体并未呈现任何显著异常表型。与之类似，酵母中约80%的单基因突变不会影响其在标准培养环境中的正常生长；2013年Sanger研究所获得的500个单基因敲除的小鼠品系中近58%的小鼠仍能正常生长发育。其实早在1942年，英国著名发育生物学家Conrad Hal Waddington和乌克兰著名动物学家Ivan Ivanovich Schmalhausen几乎同时分别对这种现象进行了归纳总结，提出了"Canalization"的概念。他们用"Canalization"来概括生命体面对内在基因突变和外界环境胁迫时呈现的生命系统稳健性(Robustness)，即表型或体征没有因为受到基因突变或环境胁迫的影响而产生剧烈变化。长期以来，这种现象在植物分子遗传学研究中被默认为是一种简单的基因冗余而常被忽略，并未深入研究它背后的分子机制，而植物的发育稳健性恰恰是作物应对全球气候变化导致的极端环境胁迫应具备的核心性状。
2022年3月14日，许操团队在Genome Biology在线发表了题为Heterotypic transcriptional condensates formed by prion-like paralogous proteins canalize flowering transition in tomato的研究论文，发现了一种全新的植物茎尖干细胞发育稳健性的调控机制。
茄的果实产量和收获指数。茎尖干细胞的命运转换是一个精准调控的程序化发育过程，它在“正确的时间”、“正确的地点”启动和完成，这一转换或早或晚都有可能导致植物无法适应环境变化或作物大幅减产。该团队最新研究发现，番茄茎尖干细胞命运转换的精准调控由一个ALOG转录因子家族决定。ALOG基因家族在低等植物到高等植物的进化过程中发生多轮基因重复(Gene duplication)，最终在番茄中扩张为包含12个“兄弟基因”的家族。其中，TMF作为番茄中第一个抑制茎尖干细胞过早成熟的家族成员于2012年被克隆鉴定，其余家族成员被命名为TFAM(TMF family member)。TMF单基因番茄突变体表型较为剧烈，呈现早花且花序由多花变为单花，但这种表型仅限于主干(Primary shoot)，其侧枝(Side shoot)正常，提示发育稳健性机制的存在。进一步研究表明,在ALOG基因家族基因重复和扩张的过程中，其成员的基因表达调控区(Cis-regulatory region)和编码区(Coding region)均累积了大量突变，使得四个TFAM基因(TFAM1/2/3/11)像TMF一样，保留了在茎尖干细胞中的表达活性，而另一部分TFAM基因则演化出了新的功能，不再参与茎尖干细胞活性调控。研究人员使用基因编辑“整建制”敲除了所有在茎尖干细胞中表达的TFAM基因，创制了单、双、三、四和五基因突变体，产生了番茄开花时间从正常到极度早花、花序结构从多花到单花连续梯度变化的表型图谱(Phenotypic continuum)，证实了“ALOG五兄弟”共同控制茎尖干细胞发育稳健性。
进一步研究发现，TFAM1/2/3/11蛋白均含有典型的天然无序区(Intrinsically Disordered Regions, IDRs)，并能发生蛋白质相分离。有意思的是，象征了ALOG蛋白家族身份的ALOG 结构域在“五兄弟”中非常保守，但是它们N端和C端的天然无序区却发生了大量变异，导致了它们蛋白质相分离能力和转录调控能力的差异。进一步研究发现，五个TFAM家族成员之间通过蛋白互作在细胞核中形成“家族抱团式”凝聚体。将四个TFAM蛋白分别与TMF混合进行相分离液滴融合测试发现，TMF与TFAM1, 2, 3均可高度融合，发生液相共分离，形成“抱团式”凝聚体，而TFAM11则难以完全融合，提示TFAM11蛋白的理化性质可能使得它在TFAM转录凝聚体的分工中只是“参与”但不是核心角色，这与TFAM11单基因突变体表型最弱(接近野生型)相吻合。最后，研究人员通过定点突变、IDR置换和转录活性分析等系列实验证实，番茄茎尖干细胞命运转换稳健性的实现依赖“ALOG五兄弟”通过蛋白质相分离分工协作，形成异质性转录凝聚体，精准调控成花基因ANATHA(AN)时空表达，确保番茄在“正确的时间”、“正确的地点”开花结果。此外，研究人员还发现，TFAM1/2/3/11除了与TMF聚在一起调控茎尖干细胞活性外，还单独进化出了新的功能，比如TFAM1控制番茄花器官脱落（另一个重要农艺性状），体现了“ALOG五兄弟”在干细胞发育稳健性调控中“聚是一团火”，在各自的功能分工中又“散作满天星”。该研究揭示了基因组重复和基因家族扩张产生的兄弟基因通过蛋白质相分离优化分工协作，组建具有超强系统稳健性的转录凝聚体，精准调控发育基因时空特异表达的全新机制。
中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组副研究员黄小珍、博士研究生肖楠为该论文的共同第一作者，许操研究员为论文的通讯作者。许操研究组邹玉盼、谢跃、唐伶俐、章月琴、于媛对该工作做出重要贡献。该研究得到中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目、中国科学院A类战略先导科技专项、科技部重点研发计划、国家自然基金委项目、中国博士后科学基金以及植物基因组学国家重点实验室的资金支持。
