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植物为何会向上生长?它们有方向感吗?

2018-12-05  |  科技工作者之家 原创 收藏(18)  | 

知道哪里向上,哪里向下对所有生物来说都非常重要。扎根于地下而让花朵盛开在风中的植物一旦将这种极化弄错,就会导致一系列问题。植物整个组织的极化依赖于每一个细胞的极化,然而细胞分裂会打乱极化过程。此前,科学家们一直不知道植物是如何恢复极性的。近日,来自奥地利科学技术研究所(IST Austira)的研究者解开了这一谜题的一部分:他们发现,植物细胞从母细胞那里继承了有关哪里向上和哪里向下的信息。这项由IST Austria的Jií Friml教授、第一作者Matou Glanc等合作完成的研究于12月3日发表在《自然·植物学》杂志上。

生长素的定向转运会在植物体内引起极化,但这种转运又依赖于PIN生长素转运体在每个细胞内的极性分布。这意味着每一个细胞都必须是极性组织的,这样植物才能区分上下。然而,细胞分裂带来了一个挑战:在每一次分裂中,极性膜蛋白(如PIN生长素转运蛋白)会被重定向到两个新形成的膜上。因此,其中一个子细胞内的PIN生长素转运体的极性会丢失。在这项新研究中,研究人员在一种新的转基因拟南芥株系的细胞分裂过程中跟踪了荧光PIN生长素转运蛋白,实时观察了PIN蛋白的变化及其在细胞分裂过程中的极性。

结果出乎意料,论文的第一作者 Matou Glanc说:“我们原本认为,细胞需要与相邻细胞进行交流,才能正确地重建极性。因此我们首先寻找了细胞之间的信号,却没有找到这样的东西。与此相反,我们发现极性是由母细胞传递的。”Glanc补充说:“目前还不清楚母细胞是如何‘告诉’它们的子细胞上下位置的——我们仍在努力理解这一点。”

研究人员还发现,内吞作用(从细胞表面去除蛋白质的过程)对这种极性的重建至关重要。科学家以前认为,分裂后的PIN生长素转运蛋白在“错误”的细胞端被内吞作用移除,并被转运到正确的细胞端。在本项研究中,研究人员发现,错误放置的转运体不是被转运,而是被内吞和破坏掉了。新的PIN转运蛋白被制造并插入细胞膜的正确一侧。

一组激酶——PINOID及其同源体WAG1和WAG2对决定PIN转运体的极性也至关重要,它们可以通过磷酸化化学反应修饰PIN转运体。这三种激酶都不再起作用的植物在细胞分裂后无法重新建立极性。在这些突变体中,我们可以看到当植物极性错了时会发生什么:根不是顺着重力向下长到土壤里,而是上下起伏并转向。

“尽管这项研究为理解植物如何重建两极关系提供了一些关键的答案,但还有更多的问题有待解决 。”Glanc说,“我们已经确定内吞和磷酸化是极性形成的关键步骤,而且我们已经证明子细胞的极性是遗传自母细胞的。但是我们仍然需要找到遗传信息的本质。这是细胞所固有的,但涉及到什么蛋白质、脂质或糖还有待观察。”

编译:Max

审稿:阿淼

责编:南熙


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