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Science解開植物性細(xì)胞之謎

日期:2012-08-09 08:16:28

多年來玉米的性生活吸引了大量的熱切關(guān)注。在公元前5000年時,美洲的農(nóng)學(xué)家們采用異花授粉的植物來生產(chǎn)更大的植物或彩色果核,從而生成了第一個雜交玉米品種。

 

今天,玉米雜交制種成為了一種數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè),并且雜交育種對生產(chǎn)大多數(shù)其他的物種也同樣十分重要。然而盡管植物繁殖在農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)中占據(jù)中心地位,研究人員卻一直未能解答一個基礎(chǔ)的問題:植物的性細(xì)胞從何而來?

 

根據(jù)斯坦福大學(xué)生物學(xué)教授Virginia Walbot和研究生Timothy Kelliher,所說,答案驚人的簡單。在一組精巧的實(shí)驗(yàn)中,研究人員證實(shí)發(fā)育花卉內(nèi)深處低氧水平就是觸發(fā)性細(xì)胞形成的必要條件。

 

這一發(fā)現(xiàn)不僅僅是學(xué)術(shù)興趣。

 

“控制植物繁殖對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是相當(dāng)重要的,”Walbot說。

 

在玉米產(chǎn)業(yè)中,使種子去雄仍然是通過手工操作的方式控制誰讓誰受精,一項(xiàng)開關(guān)性細(xì)胞生成的技術(shù)可顯著提高對植物雜交育種的控制。

 

該研究論文發(fā)布在近期的《科學(xué)》(Science)雜志上。

 

當(dāng)兩朵花彼此深愛

 

所有的開花植物都在稱為花藥的結(jié)構(gòu)中生成花粉。然而在這些花藥成熟前,它們排列在植物深處的一個三葉草形狀中。每個三葉草樣裂片中的中央細(xì)胞將轉(zhuǎn)變?yōu)樾约?xì)胞,并最終變?yōu)榛ǚ邸?/SPAN>

 

植物中這一發(fā)育背后的機(jī)制并不清楚。在動物中,周圍細(xì)胞向生殖細(xì)胞發(fā)送信號開始形成單個生成細(xì)胞(founder cell)。WalbotKelliher都傾向于這一觀點(diǎn),并確定了兩種有希望的信號分子MAC1MSCA1.。缺失MAC1蛋白的植物形成了太多的生殖細(xì)胞。缺失MSCA1的植物根本沒有生殖細(xì)胞。

 

顯然,MAC1對于組織生殖細(xì)胞周圍的非性細(xì)胞非常重要,而MSCA1則是細(xì)胞形成性細(xì)胞所必需的。但是對于兩者之間的聯(lián)系,以及什么最初導(dǎo)致了它們的表達(dá)仍不清楚。

 

氧化還原反應(yīng)的作用

 

盡管大多數(shù)研究人員認(rèn)為,與在動物中一樣,性細(xì)胞是從一組特殊帶有預(yù)定作用偏向的細(xì)胞發(fā)育而成,Walbot Kelliher看到了兩條線索暗指其他。

 

首先,這些性細(xì)胞的物理排列并沒有指明單個“生成細(xì)胞”的存在。其次,MSCA1酶運(yùn)作的方式表明氧水平有可能在信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮了作用。

植物內(nèi)的環(huán)境可能是“氧化的”(氧氣充足,偏愛氧化)或是“還原的”(氧化被阻止,通常因缺乏活性氧,偏愛相反的還原過程)。MSCA1恰巧通過還原發(fā)送信號,這意味著不同的氧水平有可能具有不同的發(fā)育影響。

 

為檢驗(yàn)這一理論,研究人員將一種探針插入玉米未成熟的花藥組織中。他們發(fā)現(xiàn):異常低氧水平(有可能是快速生長的花藥代謝活動的副作用)——在精確的時間,細(xì)胞開始轉(zhuǎn)變?yōu)榱诵约?xì)胞。

 

玉米之子的研究

 

密切關(guān)注整個植物的生育過程對于雜交育種產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。田地里通常會種植兩種不同品種的玉米種使其雜交。為了防止植物自花授粉,導(dǎo)致次等品質(zhì)的植物,需要去除一個物種的所有雄花穗。

 

這是一個艱巨的任務(wù),需要專門的去雄機(jī)器,隨后還有專人檢測遺漏的植物。

 

“目前他們每年要對100萬英畝的玉米去雄花穗,每英畝2萬株植物。有數(shù)十億手動去雄植物,”Walbot.說。

 

不育玉米品種已不需去雄,但自花授粉的版本被證實(shí)難于改良。低氧絕育法可使自交變得更簡單,允許應(yīng)用于大量的品種。

 

“我們把留下這些應(yīng)用給產(chǎn)業(yè),”Walbot.說。但研究的影響可能是廣泛的。假設(shè)這些結(jié)果適用于所有開花植物,如許多研究小組現(xiàn)在正在尋求確證的,這一發(fā)現(xiàn)可能為一系列的農(nóng)作物提供新水平的生育控制。

 

斯坦福大學(xué)正在就論文的一些結(jié)果申請專利。

 

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