作者:冯丽妃 来源: 中国科学报 发布时间:2023-8-7
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“土生土长”团队发现植物“自救”新机制

自然界丢失助细胞的白花丹(左图)和蓝雪花。受访者供图

■本报记者 冯丽妃

植物受精失败后,如何“自救”以确保繁衍?近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所(以下简称遗传发育所)一个主创“清一色国产”的科研团队在《细胞》发文,回答了这个百余年来遗留的生物学问题。

在这个“土生土长”的团队里,师从中国科学院院士、遗传发育所研究员杨维才的通讯作者李红菊,成为一名独立PI(项目负责人)刚半年。其他4名第一作者均是遗传发育所一手培养起来的研究人员,其中博士后孟姜果即将任职国内某大学的教授职位。

“国内的植物学研究在国际上已处于领先水平,我们也可以培养出世界一流的人才,做出一流的成果。”杨维才在接受《中国科学报》采访时说。

“暗度陈仓”实现“自救”

繁衍是植物生存的终极目标。开花植物或被子植物是植物界的最大家族。它们适应性地演化出一整套环环相扣、精妙绝伦的信号机制,以确保受精和结实,同时也为人类提供了赖以生存的重要口粮。

被子植物有着独特的双受精生殖模式。大部分被子植物的胚珠里含有四类细胞:两个助细胞、一个卵细胞、一个中央细胞和三个反足细胞。花粉管携带的一个精子细胞会与卵细胞融合形成受精卵,另一个精子细胞与中央细胞融合形成胚乳,胚乳会滋养受精卵,它们被包裹在种皮内,随着果实一起发育成熟。

早在1904年,科学家就发现,植物在受精失败后,胚珠会吸引额外的花粉管送来新的精子细胞,实现“自救”。但这个过程是如何发生的,百余年来一直悬而未决。

得益于过去20年植物分子生物学的迅速发展,科学家发现,助细胞在其中发挥着关键作用。当花粉落在柱头上形成花粉管后,助细胞会分泌信号吸引花粉管,与其形成一对一的连接。随后,助细胞凋亡,花粉管定点爆裂,将两个精子释放到胚珠。

“这意味着,当两个助细胞都发生突变缺失功能时,这个精密运行的信号机制在理论上就会‘罢工’,不再繁衍果实。”李红菊向《中国科学报》解释说。

然而,自然界中有些植物,如白花丹、鸡娃草等,没有助细胞却依然能够受精结籽。李红菊团队通过生物技术在实验室清除拟南芥胚珠的助细胞后,发现它们依然可以实现受精。

这些植物是如何“暗度陈仓”恢复受精的?通过4年的研究,李红菊团队发现,秘密就藏在中央细胞里。

“抽丝剥茧”找到源头

作为形成胚乳的前体细胞,中央细胞的功能机制一直是植物有性生殖领域研究的热点和难点。2007年,杨维才团队发现,中央细胞也参与吸引花粉管过程,但能否直接吸引花粉管并不知晓。

为了解这些基因潜在的作用,李红菊带领团队对中央细胞进行了“抽丝剥茧”式的研究。他们从中提取了97种候选小肽分子,将其在植物体外做成“凝胶珠”,一个个做花粉管吸引测试。结果发现,有两个小肽SAL1和SAL2具有较强的花粉管吸引能力。

植物体内的实验表明,当助细胞发生缺陷或突变的花粉管被破坏时,SAL1/2可以被定向分泌到胚珠珠孔,到达株孔外的株柄,直接结合到花粉管的质膜上,引导花粉管到达胚囊。研究团队对拟南芥的近缘物种琴叶拟南芥开展了类似研究,得到了同样的结论。

“这些结论说明中央细胞通过分泌SAL1/2,可以直接参与植物的受精补偿机制,而且这种机制在自然界可能很普遍。”孟姜果说,这一研究为了解一些助细胞缺失植物的存活和繁衍提供了演化线索。

国际审稿人认为,这项研究意外地发现了中央细胞的一个功能,这一候补机制对于依赖动物授粉的植物物种尤为重要。

“土生土长”的一流成果

近年来,越来越多国内培养的本土青年科学家在顶刊发表一流科研成果,有的还在高校得到了较好的任职机会。李红菊认为,这得益于我国近年来整体科研水平的提高。

李红菊告诉记者,遗传发育所一直定位于世界一流科研机构,以往研究员岗位的“新鲜血液”大都是从国外引进的学者。但经过不断发展,遗传发育所以至整个国内植物科学研究水平逐步提高,越来越多的本土博士加入遗传发育所PI队伍开展科学研究,李红菊就是其中一员。

2017年,遗传发育所实施了青年研究员培养计划,这是本土青年学者成长为独立PI的一个通道。李红菊经过申请和考核,参加了这一计划;今年1月,经过5年磨砺的她通过国际评估成为一名独立PI。

孟姜果也是遗传发育所培养的一名博士。过去几年,他已经在《自然-植物》《自然-通讯》等发表了一系列优质研究成果。目前,博士后第二年的他已经收到国内多所高校“直升教授”的录用通知。

“做研究关键是要有好的想法和执行力。”孟姜果说,过去几年他得到了很好的锻炼。对于下一步的科研生涯,他充满期待。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.06.024

《中国科学报》 (2023-08-07 第1版 要闻)
 
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