土生土長，他們Cell發(fā)文揭示植物自救新機(jī)制

7月28日晚，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（以下簡稱遺傳發(fā)育所）一個(gè)主創(chuàng)“清一色國產(chǎn)”的科研團(tuán)隊(duì)在生物學(xué)頂刊《細(xì)胞》發(fā)文，回答了一個(gè)百余年來遺留的生物學(xué)問題——植物受精失敗后，如何“自救”以確保繁衍。

新研究論文通訊作者李紅菊師從中國科學(xué)院院士、遺傳發(fā)育所研究員楊維才，成為一名獨(dú)立PI剛半年。4名論文一作也均是土生土長，其中一名博士后一作孟姜果將入職國內(nèi)某大學(xué)的教授職位。

“國內(nèi)的植物學(xué)研究在國際上已經(jīng)處于領(lǐng)先水平，我們也可以培養(yǎng)出世界一流的人才，做出一流的成果。”楊維才在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

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“暗度陳倉” 植物自救

繁衍，是植物生存的終極目標(biāo)。開花植物，或被子植物，是植物界的最大家族，它們適應(yīng)性地演化出一整套環(huán)環(huán)相扣、精巧絕倫的信號(hào)機(jī)制以確保受精和結(jié)實(shí)，同時(shí)也為人類提供了賴以生存的重要“口糧”。

被子植物有著獨(dú)特的雙受精生殖模式，大部分被子植物的胚珠里含有四類細(xì)胞：兩個(gè)助細(xì)胞、一個(gè)卵細(xì)胞、一個(gè)中央細(xì)胞和三個(gè)反足細(xì)胞。花粉管攜帶的一個(gè)精子細(xì)胞會(huì)與卵細(xì)胞融合形成受精卵，另一個(gè)精子細(xì)胞與中央細(xì)胞融合形成胚乳，胚乳會(huì)滋養(yǎng)受精卵，它們被包裹在種皮內(nèi)，隨著果實(shí)一起發(fā)育成熟。

早在1904年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，植物在受精失敗后，胚珠會(huì)吸引額外的花粉管運(yùn)送來新的精細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)“自救”。但這個(gè)過程是如何發(fā)生的，百余年來一直懸而未解。

得益于過去二十年植物分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，助細(xì)胞在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)花粉落在柱頭上形成花粉管后，助細(xì)胞會(huì)分泌信號(hào)吸引花粉管，與花粉管形成一對(duì)一的連接。隨后，助細(xì)胞凋亡，花粉管定點(diǎn)爆裂，將兩個(gè)精子釋放到胚珠。

“這意味著，當(dāng)兩個(gè)助細(xì)胞發(fā)生都發(fā)生突變?nèi)笔Чδ軙r(shí)，這個(gè)精密運(yùn)行的信號(hào)機(jī)制在理論上就會(huì)‘罷工’，不再繁衍果實(shí)。”李紅菊向《中國科學(xué)報(bào)》解釋。

然而，自然界中一些植物，如白花丹、雞娃草等，沒有助細(xì)胞，卻依然能夠受精結(jié)籽。李紅菊和團(tuán)隊(duì)通過生物技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室清除擬南芥胚珠的助細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)它們也依然可以實(shí)現(xiàn)受精。

這些植物究竟如何“暗度陳倉”恢復(fù)受精？通過四年的研究，李紅菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，秘密藏在中央細(xì)胞里。

抽絲剝繭找到源頭

作為形成胚乳的前體細(xì)胞，中央細(xì)胞的功能機(jī)制一直是植物有性生殖領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。2007年，楊維才院士團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)，中央細(xì)胞也參與吸引花粉管，但是否能直接吸引花粉管并不知曉。

為了了解這些基因潛在的作用，李紅菊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)中央細(xì)胞進(jìn)行了“抽絲剝繭”的研究，他們從中提取了97種候選小肽分子，將其在植物體外做成“凝膠珠”，并用每一種凝膠珠一個(gè)個(gè)做花粉管吸引測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)小肽SAL1和SAL2具有較強(qiáng)花粉管吸引能力。

植物體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)助細(xì)胞發(fā)生缺陷，或在被突變的花粉管破壞掉時(shí)，SAL1/2可以定向分泌到胚珠珠孔，到達(dá)株孔外的株柄，直接結(jié)合到花粉管的質(zhì)膜上，引導(dǎo)花粉管到達(dá)胚囊。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)擬南芥的近緣物種琴葉擬南芥也開展了類似研究，得到了同樣的結(jié)論。

“這些說明中央細(xì)胞通過分泌SAL1/2，可以直接參與植物的受精補(bǔ)償機(jī)制，而且這種植物受精補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制在自然界可能是一種普遍的機(jī)制。”孟姜果說，這一研究為了解一些助細(xì)胞缺失的植物的存活和繁衍提供了演化線索。

國際審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意料之外的中央細(xì)胞的功能，這一候補(bǔ)機(jī)制對(duì)于依賴動(dòng)物授粉的植物物種尤其重要。

“土生土長”的一流成果

近年來，越來越多土生土長的青年科學(xué)家在頂刊發(fā)表一流科研成果，越來越多的本土培養(yǎng)的科學(xué)家可以在高校得到較好的任職機(jī)會(huì)，李紅菊認(rèn)為，這得益于我國近年來整體科研水平的提升。

李紅菊告訴記者，遺傳發(fā)育所一直定位于世界一流科研機(jī)構(gòu)，研究員崗位的“新鮮血液”大都是從國外引進(jìn)的學(xué)者。經(jīng)過不斷地發(fā)展，遺傳發(fā)育所以及整個(gè)國內(nèi)的植物科學(xué)研究水平水漲船高，開始有本土博士加入遺傳發(fā)育所PI隊(duì)伍，繼續(xù)開展科學(xué)研究，李紅菊博士當(dāng)時(shí)就是其中一員。

2017年，遺傳發(fā)育所還實(shí)施了青年研究員培養(yǎng)計(jì)劃，這是本土青年學(xué)者成長為獨(dú)立PI的一個(gè)通道。李紅菊經(jīng)過申請(qǐng)和考核，參加了這一計(jì)劃；今年1月，她經(jīng)過5年磨礪通過國際評(píng)估后成為一名獨(dú)立的PI。

孟姜果也是遺傳發(fā)育所培養(yǎng)的一名博士，過去幾年，他已經(jīng)在《自然—植物》、《自然—通訊》等刊物上發(fā)表了一系列優(yōu)質(zhì)研究成果。目前，博士后第二年的他已經(jīng)收到國內(nèi)多個(gè)高校“直升教授”的崗位。

“做研究關(guān)鍵是要有好的想法和執(zhí)行力。”孟姜果說，這是過去幾年他得到的最大鍛煉。對(duì)于下一步的科研生涯，他充滿期待。

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