植物和动物胚胎根部的促生长、抗衰老化合物

发芽豆苗生长侧根

豆苗一种生长侧根的发芽豆苗现在,研究人员已经确定了这种现象背后的化合物。信贷:Mindaugas Kriksciukas / GPhase

植物的根和动物的胚胎都依赖同一种化学物质来成功发育。

蛙卵和抗衰老面霜有什么共同之处?他们的成功依赖于一组称为类维生素a的化合物,这种化合物能够生成和再生组织。

一项新的植物研究表明,类维生素A的组织生成能力也有助于根的适当发育。

如果你种过萝卜种子,你就会知道它的第一件事就是长出竖直的根。再给它一段时间,它的根就会变得更小,垂直于植物的茎。随着时间的推移,这些侧根会不断分枝并向外扩展,形成一个稳定并喂养植物的网。

这些侧根并不是随意伸出来的。它们出现了,然后沿着主轴有规律的间隔向外扩展,遵循一定的节奏。直到现在,人们还不知道是什么调节和决定了它们的发育和节奏。

在8月26日发表在《科学》杂志上的一项新研究中,由加州大学圣地亚哥分校助理教授亚历山德拉·迪金森和杜克大学保罗·克莱默杰出生物学教授菲利普·本菲领导的研究小组,yabo124识别在触发植物侧根发育中起关键作用的化合物。

研究小组有一个很好的猜测:视网膜,一种类维生素a,看起来符合要求。

在人类以及所有的脊椎动物中,将受精卵变成一个有一点跳动的心脏的胚胎,需要干细胞分化、特化并生成特定的组织,如骨骼、血管和神经系统。这个过程是由视网膜启动和调节的。然而,动物不能自己产生视网膜,它们必须从植物或吃植物的动物那里摄取视网膜。

迪金森说:“我们知道植物有能力产生这种化合物,它对动物的发育非常重要,所以很有必要检查它在植物发育中的作用。”她领导了这项研究,作为她在杜克大学博士后研究的一部分。

为了让植物更好地利用视网膜,视网膜分子必须与植物细胞内的蛋白质形成一个标签组,这个过程称为蛋白质结合。

为了测试视网膜是否确实影响了侧根的发育,Dickinson和她的团队用一种染料处理幼苗,当视网膜与细胞内的蛋白质结合时,这种染料就会发光。随着幼苗的生长,主根尖附近出现了发光的小点。不久,这些发光的斑点会长出侧根。

随着幼苗的发育,这个过程会定期重复,这表明侧根的生长之前有一个视网膜结合的高峰。

为了证实他们的发现,研究小组将视网膜直接应用到植物的主根上。接受了视网膜增强剂的幼苗比正常幼苗发育出更多的侧根。

更确切地说,研究小组使用了一种使植物不能产生视网膜的化合物,并观察到这些幼苗很少产生侧根。

然后他们直接将视网膜植入这些幼苗的主根,果然,侧根在植入视网膜的地方开始发育。

“我们对这个问题的所有看法都非常积极,”本菲说。

“如果胚胎在发育过程中缺乏视网膜,就会有发育缺陷,”本菲说。“这与植物及其侧根的情况惊人地相似。”

相似之处还不止于此:动物胚胎的细胞依赖于特殊的蛋白质从周围环境中获取视网膜。植物产生自己的类维生素a,但它们仍然需要特殊的蛋白质来结合它们并激活发育过程。

研究小组发现,植物用来连接视网膜的蛋白质与动物细胞中的蛋白质是二重身。它们是不同的,但有相似的结构和形状。

Benfey说:“发现了触发根发育的信号和结合它的蛋白质,这是非常令人兴奋的。”

植物和脊椎动物是非常不同的生物,它们的进化路径在15亿年前就分道扬镳了。这两种生物在发育过程中都使用了密切相关的化合物来产生新的组织,这是自然界在两种截然不同的生物中,各自对相似问题达成相似解决方案的一个例子,这种现象被称为“趋同进化”。

类维生素a有多种医疗用途,从痤疮膏到癌症治疗。发现它们调控植物根组织发育的确切方式,将为我们开启一扇全新的大门。

迪金森说:“我们已经发现了一种新的途径,可以向细胞提供信息,并说服它们构建一个新的器官,而不是完成最初分配给它们的工作。”“所以,也许我们可以从植物中提取一些东西,并用它来更好地了解人类正在发生什么。”

作者:Alexandra J. Dickinson, Jingyuan ZhangMichael Luciano, Guy Wachsman, Evan Sandoval, Martin Schnermann, José R. dineny和Philip N. Benfey, 2021年8月26日科学
DOI: 10.1126 / science.abf7461

这项工作得到了霍华德休斯医学研究所和美国国立卫生研究院的支持(授予MIRA 1R35GM131725),由Arnold和Mabel Beckman博士后奖学金给Alexandra Dickinson。José R. dineny的研究部分是由霍华德休斯医学研究所和西蒙斯基金会的教员学者资助的。Michael Luciano和Martin Schnermann得到了美国国立卫生研究院(NIH)内部研究项目、美国国家癌症研究所和癌症研究中心的支持。

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