@ 2021.07.15 , 10:39

沉睡千年的植物种子怎么知道该发芽了?

脱水的植物种子可以休眠很长时间——某些物种可存活超过1000年——然后在合适的水环境中触发发芽机制。这可以保护里面的植物胚胎不受各种环境压力的影响,直到条件对生长和生存有利。然而,植物种子感知水并重新激活细胞活动的机制直到现在仍是一个谜。

卡内基大学的Yanniv Dorone和Sue Rhee以及斯坦福大学的Steven Boeynaems和Aaron Gitler共同领导的新研究发现了一种蛋白质,它在这个过程中起着关键的 "命令" 的作用——如果土壤的水文条件不理想,就会阻止发芽,如果生存的机会很好,就允许发芽。他们的发现对于理解变暖世界中的植物生态学以及设计能够在气候变化中存活并对抗世界性饥荒的抗旱作物的可能性具有重大意义。

如今他们的成果发表在《细胞》上。

Dorone、Rhee、Boeynaems、Gitler和他们的同事--包括卡内基的Benjamin Jin、Shannon Hateley、Flavia Bossi、Elena Lazarus和Moises Exposito-Alonso--利用分子、生理和生态研究技术,揭示了一种以前未被记录的蛋白质,他们将其命名为FLOE1。

"尽管许多种子具有非凡的韧性,但植物在其生命的这一阶段仍处于最脆弱的状态,因为发芽必须有精确的时刻表来确保最大的生存机会。一旦发芽开始,植物就不能再回到冬眠状态,精灵无法跑回瓶子里。"Dorone解释说。"因此,像FLOE1这样的蛋白质对植物把握时机的能力至关重要。

FLOE1能力的关键是最近发现的一种生物物理现象,这是目前的热门研究课题——称为相分离。这种机制使细胞能够动态地将生物大分子分隔成无膜的集合体,而非将它们封锁在一个由膜包围的细胞器中。

Rhee说:"把细胞器想象成一栋办公楼,细胞的各个组成部分被分配来完成它们的生理工作;而这些支持相分离的组件更像是一个创客集市或黑客马拉松,蛋白质可以聚集在一起完成一项任务,然后在任务完成后被释放出来。我们发现,FLOE1可非常迅速地启动这种类型的临时聚集的能力对其功能至关重要。”

当休眠的种子感觉到其附近的水分时,FLOE1几乎瞬间在细胞中聚集,以考察当前的生存条件。由于FLOE1的聚集是暂时的和可逆的,它的行为可以形成“继续或止步”的信号,如果环境被确定为不理想,则停止发芽,如果环境有足够的水支持生长,则允许种子继续之后的步骤。

"我们认为这是第一项研究,提供了关于种子如何直接感知其水化状态并据此采取行动的信息。”

作者说,他们的发现可以为工程作物奠定基础,这些作物能够利用FLOE1的能力,以抵御气候变化的不利影响。这种类型的增强对于消除世界各地的饥饿将越来越重要。

尽管他们的工作是利用实验性芥子绿拟南芥完成的,但Dorone、Rhee、Boeynaems和Gitler发现,FLOE1存在于整个植物王国,甚至存在于进化出种子之前的植物中,这意味着它可能在植物细胞生理学中发挥许多其他作用,或具有更多的生物工程潜力。

"更重要的是,FLOE1是第一个已知的在水化-脱水周期中可逆地相分离的蛋白质,但类似的过程很可能发生在其他有干燥休眠期的生物体中,包括人类病原体。"Dorone总结道。

https://phys.org/news/2021-07-seeds-good-germinate.html


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