不起眼的水生植物揭开了植物生长的秘密
发布时间：2023-08-07 08:40:34
来源：cnBeta
一种不起眼的水生植物揭示了植物如何防止因与生长相关的压力和应变而开裂。这一发现是约翰-英纳斯中心恩里科-库恩教授团队的罗伯特-凯利-贝洛博士和凯伦-李取得的。这一发现始于对食虫植物丝叶狸藻的一种矮小突变体的奇特观察。
(资料图)
细胞粘附力减弱的拟南芥茎，用生长激素黄铜激素抑制剂处理后，表皮生长速度减慢，造成机械应力，表皮细胞被拉开后出现裂缝。
这种漂浮植物的茎部充满了空隙，这种空隙意味着茎部内部的维管柱在受到压力时会弯曲。这种效应在大多数茎干坚实的植物中并不明显。
研究人员发现，在矮小突变体中，中央维管柱是波浪形的，而不是笔直的。他们假设，这种摇摆不定的脊柱是由内部冲突引起的，即植物茎内部发生的变化与表皮或皮肤之间的差异。合著者理查德-肯纳韦博士的计算模型显示，这一想法可以解释观察到的情况。
约翰-英纳斯中心的恩里科-库恩教授是《科学》杂志上这项研究的作者之一，他解释说："我们意识到，在这些类型的矮小植物中，只有表皮，也就是它们的表皮希望变短，内部组织仍然希望变长，因此产生了弯曲效应。"
这是一个惊喜--以前人们认为，在农业中非常重要的矮化品种之所以矮化，是因为茎中的所有东西都受到影响而长得较少，但事实上，在这种情况下，只是表皮产生了一种束缚。
进一步的研究发现，丝叶狸藻（Utricularia gibba）矮化突变体缺乏一种叫做黄铜类固醇的生长激素。他们推测，这种激素通常能让皮肤伸展，从而提供更宽松的束缚，让植物茎干伸长。
为了验证这一想法，他们在模式植物拟南芥中使用了一种突变体，这种突变体会减弱细胞间的粘合力，以观察减少黄铜类固醇是否会导致茎表皮因压力而出现重大裂缝。
科恩教授解释说："这正是我们所看到的。通常情况下，拟南芥茎的胶合作用减弱，会出现轻微裂缝，因为激素的作用是松开紧身衣。但当荷尔蒙缺失时，表皮就会被完全撕掉，植物几乎没有了表皮"。
合著者理查德-史密斯（Richard Smith）教授的计算模型显示，类黄铜激素可能是通过松弛表皮细胞壁的纤维来放松紧身衣的。
"植物细胞被粘在一起，并被迫以一种协调的方式行事，这仅仅是由于它们的果胶，它们的胶水，将它们结合在一起。"科恩教授解释说："我们在这项研究中发现，这是一种非常强大的力量；这种胶水非常牢固，你只需要改变一层细胞的生长，其他细胞就会跟着改变。以前的研究强调植物发出分子信号以协调方式生长，这仍然是解释的一部分。但我们的研究表明，植物细胞的胶粘性也是协调生长的重要组成部分。粘在一起非常重要"。
共同作者、剑桥大学塞恩斯伯里实验室的克里斯托弗-怀特伍兹博士强调了这些发现对未来研究的潜在重要性。"细胞层之间的机械相互作用控制着两种截然不同物种的茎的生长，这一事实提出了一个问题：它们是否控制着植物发育的其他方面，例如叶片复杂的内部形态。我们很想测试一下情况是否如此。"
这些发现揭示了小麦和水稻等支撑农业绿色革命的矮化作物品种，解释了基因如何控制它们的生长以及我们将来如何提高它们的效率。
他们的发现还与动物的发育过程有关，如鳄鱼皮裂缝的形成和肠道的成形，在这些过程中，各层之间的机械相互作用也被认为发挥了作用。
许多假说一开始看起来很有希望，但在整个实验过程中却失败了。科恩教授认为，这种情况并非如此。
"第一眼看到我们的矮小水生植物中摇摆不定的组织令人兴奋，因为我们一看到它，就知道可能发生了什么。但最大的兴奋来自于在一个完全不同的系统中测试这个想法。大自然是难以捉摸的。99%的好点子在接受严峻考验时都会一败涂地。 但偶尔也会有一个想法存活下来，然后你就会知道，大自然向你揭示了它的一个秘密，"他说。
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