低氧水平触发植物性别细胞的形成

低氧水平可能会改变我们培育植物的方式

研究生Tim Kelliher和弗吉尼亚教授沃尔博特检查斯坦福校区的玉米流苏。照片:L.A.Cicero

斯坦福大学的一组科学家用一种简单的方法证明,在发育中的花朵深处,低氧水平是触发植物性细胞形成所需的全部条件。这些发现可能会带来新的植物育种技术。

多年来,玉米的性生活已经得到了很多拳头关注。5,000 B.C.,美洲的农业学家已经通过交叉授粉植物产生了第一个杂交玉米品种,以产生较大的植物或彩色核。

今天,玉米杂交种子生产是一个价值数十亿美元的产业,而且杂交也是大多数其他物种生产的基础。然而,尽管植物生殖在农业综合企业中扮演着核心角色,研究人员却从未回答过一个基本问题:植物生殖细胞从何而来?

据斯坦福生物学教授弗吉尼亚州沃巴托和研究生蒂莫西凯利赫的答案令人惊讶yabo124地简单。在一系列优雅的实验中 - 沃巴托在“思想实验中,你可以基本上没有钱” - 研究人员展示了触发性细胞形成所需的较低的低氧水平。

这一发现不仅具有学术意义。

Walbot说:“控制植物繁殖对现代农业来说是相当重要的。”

在一个玉米产业中,通过手工脱离种子玉米,作为控制的方法,该技术可以施加割草,这是一种切换性细胞产生的技术,可以允许大幅增加对植物杂交的控制。

研究论文最近出现在杂志科学

当两朵花非常相爱的时候

所有开花植物的花粉都是在一种叫花药的结构中产生的,而在玉米中,花药是由一簇独特的雄花长出来的,我们称之为穗状花序。但在这些花药成熟之前,它们在植物深处被排列成三叶草的形状。这些三叶草状裂片中的中心细胞将变成生殖细胞,最终变成花粉。

这种发展背后的机制在植物中是未知的。在动物中,周围的细胞是生殖系从单个“创始细胞”开始形成的信号。Walbot和Kelliher倾向于这一观点,他们已经识别出两种有希望的信号分子,MAC1和MSCA1。缺乏MAC1蛋白的植物产生了过多的生殖细胞。没有MSCA1基因的植物根本就没有。

显然,MAC1对于组织菌细胞周围的非性细胞非常重要,而MSCA1对于细胞发展成性能是必要的。但是两者之间的联系,最初导致他们的表达,仍然不清楚。

氧化还原的作用

虽然大多数研究人员认为,如动物,性别细胞正在从一组特殊的细胞开发,其具有预定的偏移,对角色,Walbot和Kelliher看到了两个暗示的线索。

首先,生殖细胞的物理排列并不表明存在一个单一的“创始人”。事实上,这表明“你作为一个细胞的地位比你的父母是谁更重要,”凯利赫说。

其次,MSCA1酶操作的方式表明氧气水平可能在信号传导过程中发挥作用。

植物内部的环境可以是“氧化”的——氧气充足,有利于氧化;也可以是“还原”的——氧化被阻止,通常是由于缺乏活性氧,而有利于相反的还原过程。MSCA1恰好是通过缺氧传递信号的——这意味着不同的氧气水平可能会对发育产生不同的影响。

为了验证这一理论,研究人员将探针深深插入玉米未成熟的花药组织中。他们的发现告诉我们:在细胞开始转化为生殖细胞的确切时间,异常低的氧含量——可能是快速增长的花药代谢活动的副作用。

玉米软管

研究人员将一根塑料软管插入正在发育的花药中,并放入气体混合物中,以确定是否只有低氧才会导致生殖细胞的发育。

高浓度的氧气急剧下降了性细胞的数量。高浓度的氮气,这是惰性并提供还原环境,增加性细胞形成。

“这是一个非常简单的实验,”Walbot说。“两天就有了初步结果。”

研究人员表明,低氧水平甚至可能导致花药外的细胞 - 这通常不会产生花粉 - 发展成性能细胞。

沃巴托斯均解释说,证据表明,日益增长的花药内的氧水平的天然发生的变化使中央细胞成为缺氧:“最缺氧的细胞然后抛出开关。”

一旦氧气水平下降到一定的阈值以下,MSCA1最终能够开始工作并降低其目标,导致中心细胞变成生殖细胞。这些细胞随后释放MAC1,从而确保外部细胞不会变成种系。

这是一种由内而外的分化模式,完全不同于动物种系的分化模式——这也许可以解释为什么它花了这么长时间才被发现。

“该工厂利用自己的结构来创造这种发展信号,”凯尔赫说。“然后,只要它在正确的地方,任何细胞都可以创建下一代 - 您不必特别指定。这是一个浪漫的想法。“

玉米研究的孩子们

密切关注整个植物肥力过程对杂交种业至关重要。田地里通常种植两种玉米种子,然后进行杂交。为了防止植物自己施肥——这会导致质量低劣的植物——一个物种的所有穗子都需要被去除。

这是一项艰巨的任务,需要专门拆卸机器,然后由人检查遗漏的工厂。

Walbot说:“目前,他们每年在100万英亩的玉米上去除穗,每英亩有2万株。”“这是数十亿手工分离的工厂。”

已经开发出了不需要脱销的不育玉米品种,但事实证明,自我延续的玉米品种很难完美。低氧灭菌方法可以使自动杂交更加简单,使其应用于大量品种。

Walbot说:“我们把这些应用留给了行业。”但这项研究的影响可能是广泛的。假设这一发现适用于所有开花植物(许多研究小组现在正试图证实这一点),这一发现可能会为大量作物的生育控制开启一个新水平。

斯坦福大学目前正在为这篇论文的一些发现申请专利。

图片:L.A. Cicero

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