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破译植物的恩爱密码

发布时间:2020-07-13 11:13:32 阅读: 来源:铭牌厂家

被子植物,也就是我们最常见的绿色开花植物,其花粉是在空气中传播的。种类繁多的被子植物同处在自然界中,周围充斥着各种植物的花粉。一个有趣的现象却又长期困扰着人们——梨树为什么会“拒绝”苹果的花粉?植物究竟是如何识别“自家人”的?它们如何排斥“外人”,保证自己种族的纯正与延续?

近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才研究组找到了破解这些奥秘的“钥匙”——首次分离出花粉管识别雌性吸引信号的受体蛋白复合体,并揭示出信号识别和激活的分子机制。这一发现揭开了被子植物生殖繁衍的谜团,更重要的是为杂交育种开辟了一片新天地。这一成果发表于近期的《自然》杂志。

1 被子植物的“夫妻生活”

在自然界亿万年的演化过程中,有性生殖的出现是一次重大飞跃。有性生殖使得生物体能够具有更多的遗传多样性,从而更好地适应千变万化的自然环境。

“有性生殖需要生物体演化出能够准确传递生殖细胞的方式。对于动物及非被子植物来说,它们的精子可以通过游动来‘接近’卵子,最终彼此吸附、融合形成受精卵,从而创造一个新个体。”杨维才研究组成员、中科院遗传与发育生物学研究所副研究员李红菊向记者介绍说,对世界上多样性最丰富的植物类群——被子植物来说,它们的精子不能运动,卵子又被深深包裹在雌蕊深处的胚囊(雌配子体)中,精卵相遇犹如牛郎和织女一样困难。

那么,被子植物是如何输送精子的呢?我们首先要认识一种叫花粉管的结构。

“植物的花粉是一个营养细胞,包裹着精子细胞。当它落到植物柱头上,就会从萌发孔伸出一个管状结构,这就是把植物的精细胞传递给胚囊的载体——花粉管。”李红菊介绍,植物开花时,成熟的花粉粒萌发出花粉管,花粉管一路伸长,穿过雌蕊的柱头、花柱及引导组织,最后经过珠孔进入胚珠,将两个精细胞释放。之后,两个精细胞分别与胚珠内的卵细胞和中央细胞结合,形成受精卵和受精极核,二者最终发育为胚胎和胚乳。

被子植物受精过程中,最神秘之处在于花粉管为何能“定向”生长,并最终准确地进入胚珠。与此同时,卵子也能准确识别,欣然接纳辛苦闯关而来的“如意郎君”进入“洞房”。

据了解,胚珠珠孔的直径只有不到一微米,就拿玉米来讲,花粉管要穿过长达十余厘米的花柱,然后准确地进入珠孔,就好比在一千米外准确射中直径一厘米的靶心。

“这一过程中,胚囊会在各个阶段分泌信号为花粉管‘导航’。”李红菊解释说。

那么,胚囊内提供导航信号的究竟是何物质?日本科学家在研究中,从蓝猪儿草和拟南芥两种植物胚囊中分离出一种小的分泌蛋白,称为LURE,可以对花粉管的生长起到导向作用。

“花粉管可以感受到这类分泌蛋白分布的浓度梯度,然后‘对准’浓度高的方向生长,从而完成定向。换句话说,这类分泌蛋白,就是吸引花粉管定向生长的信号。”李红菊说。

花粉管是如何感知这种信号?如何根据信号调控方向?长久以来困扰科研人员的这些难题被我国研究人员破解。

2 为生命精确“导航”

“分布于花粉管表面上的一组特殊蛋白质,就是感受定向信号的‘接收器’。”李红菊指出,虽然花粉管直径还不到一微米,但它的尖端细胞膜表面上却分布着种类丰富的蛋白质,其中一大类被称为受体激酶(RLK)的膜蛋白质,是植物细胞感受外界环境信号的“主力”。正因为受体激酶起到将细胞外信号传递到细胞内的重要作用,因此研究者将注意力集中在分布于花粉管顶端的多种受体激酶上。

经过大量试验,研究人员最终锁定名为MIK和MDIS1的受体蛋白激酶。

当这些受体蛋白激酶的功能被影响后,花粉管的定向功能便发生“紊乱”。正常的植株中,几乎所有花粉管在接近胚珠后都“直奔”珠孔而去,完成受精过程。而在这些功能被抑制或破坏的植株中,则有一部分花粉管像无头苍蝇一样“乱撞”,无法进入珠孔。

此外,研究组使用包裹了LURE的小珠作为“诱饵”诱导花粉管时同样发现,正常植株产生的花粉管能够向小珠方向弯曲,而失去这些受体蛋白激酶功能的花粉管则对小珠“视而不见”。这表明,这些受体蛋白激酶的确参与了感受花粉管定向的过程。

“一系列的生化和细胞生物学实验结果显示,MIK和MDIS1共同接收胚囊的信号,并启动花粉管的定向生长。”李红菊说。

找到花粉管上接收信号的受体,其意义和价值何在?

“由于各方面原因,不同物种之间在自然条件下不能交配,即使能交配也不能产生后代或不能产生可育性后代,这种隔离机制被称为生殖隔离。”李红菊指出,生殖隔离阻碍了不同物种间的基因交流,这一方面有利于保持物种的稳定性和独立性,另一方面也阻止了新物种的形成。破解植物雌雄识别机制,就能利用基因编辑技术打破不同物种间的这种隔离,这将极大地提高杂交的可操作性和成功率。

李红菊的说法已经在试验中得到证实。

通常情况下,一种植物的花粉,即使生长出花粉管,也很难准确进入另一种植物的胚珠。对于拟南芥的胚珠来说,同属十字花科的近亲荠菜的花粉管就难以准确定向进入。研究组通过转基因手段把MDIS1受体导入荠菜中,和拟南芥进行杂交实验。结果发现,改造过的荠菜花粉管能收到拟南芥胚珠分泌的定向信号,进入珠孔的准确率大大提高。

这项意义非同寻常的研究成果,被外界评价为“植物生殖领域的重大突破”。

3 杂交育种的新天地

近日,一则“最丑白虎”的报道引起人们的关注。美国阿肯色州松脂小溪野生动物保护区一只人工近亲繁殖生产的老虎面目狰狞,被称为世界上最丑的老虎。白虎是孟加拉虎的白色变种,本来极其罕见,在自然条件下,平均每千只普通老虎才可能出现一只白虎。然而为了利润,一些动物园自行开展对白虎的培育。大量近亲繁殖育出的白虎往往遭受各种遗传病的困扰,免疫系统缺陷,经常导致多病和短寿、脊椎侧弯、髋关节发育不良、神经紊乱、腭裂、眼睛突出等,有的生下来就是死胎。

无论是动物还是植物,近亲繁殖都会带来后代体弱,生活力、繁殖力降低等诸多问题。一直以来,杂交育种都是人类提高农作物产量和品质的主要技术。特别是远缘杂交育种,利用不同种、属或亲缘关系更远的物种间杂交,能打破植物种、属间的生殖隔离,从而获得新的作物品种。但目前应用中,主要还是以种内杂交为主,因为种间杂交生殖隔离问题难以克服,所以自然界大量的种质资源无法利用。

“远缘杂交最重要的意义在于可以把两个或多个物种长期进化而来的有益性状,重新组合形成新的类型或性状,比如对病、虫、寒、旱、涝的抗(耐)性状等,还可能出现一些自然界已经消失的物种、类型或性状。”李红菊指出,由于气候变化、资源枯竭、环境污染等社会问题日益突出,人们越来越期盼可以选育出高产、优质、多抗的“环境友好型”植物新品种,未来甚至可能实现“按需造种”的理想。

从技术层面,李红菊举例说,比如通过在一个物种中人工导入另一个物种中的受体编码基因,或者将一个物种进行定向编辑,使得该物种获得接受另一个物种花粉管的能力,这些都可以大大促进远缘杂交育种的多样性。

尽管曙光初现,但李红菊仍出言谨慎。

“生殖隔离是在长期的进化过程中形成的,分子机制很复杂,往往是多基因控制的。我们对生殖隔离的认识还处在起步阶段,目前只是在模式生物中发现了个别关键基因,在作物中的相关研究还非常少。”李红菊说,未来还有很多关键基因有待发现,也只有发现更多的基因,才能分析出内在规律并广泛应用。我们还有很长的路要走,这要靠植物生殖领域众多的研究人员一起努力。(记者 刘荣荣)

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