7月28日晚，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所（以下簡稱遺傳發(fā)育所）一個主創(chuàng)“清一色國產”的科研團隊在生物學頂刊《細胞》發(fā)文，回答了一個百余年來遺留的生物學問題——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院院士、遺傳發(fā)育所研究員楊維才，成為一名獨立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某大學的教授職位。
(資料圖片僅供參考)
“國內的植物學研究在國際上已經處于領先水平，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《中國科學報》采訪時說。
“暗度陳倉” 植物自救
繁衍，是植物生存的終極目標。開花植物，或被子植物，是植物界的最大家族，它們適應性地演化出一整套環(huán)環(huán)相扣、精巧絕倫的信號機制以確保受精和結實，同時也為人類提供了賴以生存的重要“口糧”。
被子植物有著獨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胞：兩個助細胞、一個卵細胞、一個中央細胞和三個反足細胞。花粉管攜帶的一個精子細胞會與卵細胞融合形成受精卵，另一個精子細胞與中央細胞融合形成胚乳，胚乳會滋養(yǎng)受精卵，它們被包裹在種皮內，隨著果實一起發(fā)育成熟。
早在1904年，科學家就發(fā)現(xiàn)，植物在受精失敗后，胚珠會吸引額外的花粉管運送來新的精細胞，實現(xiàn)“自救”。但這個過程是如何發(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的迅速發(fā)展，科學家發(fā)現(xiàn)，助細胞在其中發(fā)揮著關鍵作用。當花粉落在柱頭上形成花粉管后，助細胞會分泌信號吸引花粉管，與花粉管形成一對一的連接。隨后，助細胞凋亡，花粉管定點爆裂，將兩個精子釋放到胚珠。
“這意味著，當兩個助細胞發(fā)生都發(fā)生突變缺失功能時，這個精密運行的信號機制在理論上就會‘罷工’，不再繁衍果實。”李紅菊向《中國科學報》解釋。
然而，自然界中一些植物，如白花丹、雞娃草等，沒有助細胞，卻依然能夠受精結籽。李紅菊和團隊通過生物技術在實驗室清除擬南芥胚珠的助細胞后，發(fā)現(xiàn)它們也依然可以實現(xiàn)受精。
這些植物究竟如何“暗度陳倉”恢復受精？通過四年的研究，李紅菊團隊發(fā)現(xiàn)，秘密藏在中央細胞里。
抽絲剝繭找到源頭
作為形成胚乳的前體細胞，中央細胞的功能機制一直是植物有性生殖領域研究的熱點和難點。2007年，楊維才院士團隊就發(fā)現(xiàn)，中央細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，李紅菊帶領團隊對中央細胞進行了“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個做花粉管吸引測試。結果發(fā)現(xiàn)，有兩個小肽SAL1和SAL2具有較強花粉管吸引能力。
植物體內的實驗表明，當助細胞發(fā)生缺陷，或在被突變的花粉管破壞掉時，SAL1/2可以定向分泌到胚珠珠孔，到達株孔外的株柄，直接結合到花粉管的質膜上，引導花粉管到達胚囊。研究團隊對擬南芥的近緣物種琴葉擬南芥也開展了類似研究，得到了同樣的結論。
“這些說明中央細胞通過分泌SAL1/2，可以直接參與植物的受精補償機制，而且這種植物受精補償?shù)臋C制在自然界可能是一種普遍的機制。”孟姜果說，這一研究為了解一些助細胞缺失的植物的存活和繁衍提供了演化線索。
國際審稿人認為，這項研究發(fā)現(xiàn)了一個意料之外的中央細胞的功能，這一候補機制對于依賴動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)的科學家可以在高校得到較好的任職機會，李紅菊認為，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構，研究員崗位的“新鮮血液”大都是從國外引進的學者。經過不斷地發(fā)展，遺傳發(fā)育所以及整個國內的植物科學研究水平水漲船高，開始有本土博士加入遺傳發(fā)育所PI隊伍，繼續(xù)開展科學研究，李紅菊博士當時就是其中一員。
2017年，遺傳發(fā)育所還實施了青年研究員培養(yǎng)計劃，這是本土青年學者成長為獨立PI的一個通道。李紅菊經過申請和考核，參加了這一計劃；今年1月，她經過5年磨礪通過國際評估后成為一名獨立的PI。
孟姜果也是遺傳發(fā)育所培養(yǎng)的一名博士，過去幾年，他已經在《自然—植物》、《自然—通訊》等刊物上發(fā)表了一系列優(yōu)質研究成果。目前，博士后第二年的他已經收到國內多個高校“直升教授”的崗位。
“做研究關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。對于下一步的科研生涯，他充滿期待。
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自然界丟掉助細胞的植物白花丹。
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自然界丟失助細胞的物種藍雪花。
自然界丟失助細胞的物種黛萼花。
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李紅菊團隊成員合影 以上圖片均由受訪者供圖
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.06.024
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