Science解開植物性細胞之謎
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注。在公元前5000年時，美洲的農(nóng)學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的問題：植物的性細胞從何而來？
根據(jù)斯坦福大學生物學教授Virginia Walbot和研究生Timothy Kelliher,所說，答案驚人的簡單。在一組精巧的實驗中，研究人員證實發(fā)育花卉內深處低氧水平就是觸發(fā)性細胞形成的必要條件。
這一發(fā)現(xiàn)不僅僅是學術興趣。
“控制植物繁殖對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是相當重要的，”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，一項開關性細胞生成的技術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》（Science）雜志上。
當兩朵花彼此深愛
所有的開花植物都在稱為花藥的結構中生成花粉。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胞將轉變?yōu)樾约毎⒆罱K變?yōu)榛ǚ邸?/SPAN>
植物中這一發(fā)育背后的機制并不清楚。在動物中，周圍細胞向生殖細胞發(fā)送信號開始形成單個生成細胞（founder cell）。Walbot和Kelliher都傾向于這一觀點，并確定了兩種有希望的信號分子MAC1和MSCA1.。缺失MAC1蛋白的植物形成了太多的生殖細胞。缺失MSCA1的植物根本沒有生殖細胞。
顯然，MAC1對于組織生殖細胞周圍的非性細胞非常重要，而MSCA1則是細胞形成性細胞所必需的。但是對于兩者之間的聯(lián)系，以及什么最初導致了它們的表達仍不清楚。
氧化還原反應的作用
盡管大多數(shù)研究人員認為，與在動物中一樣，性細胞是從一組特殊帶有預定作用偏向的細胞發(fā)育而成，Walbot 和Kelliher看到了兩條線索暗指其他。
首先，這些性細胞的物理排列并沒有指明單個“生成細胞”的存在。其次，MSCA1酶運作的方式表明氧水平有可能在信號傳導過程中發(fā)揮了作用。
植物內的環(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，細胞開始轉變?yōu)榱诵约毎?/SPAN>
玉米之子的研究
密切關注整個植物的生育過程對于雜交育種產(chǎn)業(yè)至關重要。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，導致次等品質的植物，需要去除一個物種的所有雄花穗。
這是一個艱巨的任務，需要專門的去雄機器，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難于改良。低氧絕育法可使自交變得更簡單，允許應用于大量的品種。
“我們把留下這些應用給產(chǎn)業(yè)，”Walbot.說。但研究的影響可能是廣泛的。假設這些結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。
斯坦福大學正在就論文的一些結果申請專利。
