植物細(xì)胞的“青春”密碼 | 科技前線

植物能夠持續(xù)萌發(fā)新的枝、葉、花與果實(shí)，以頑強(qiáng)的生命力激發(fā)人們對(duì)生命永續(xù)的遐想。這一生命律動(dòng)都源于核心細(xì)胞群——植物干細(xì)胞。它們分布于莖頂端、根尖等“生長(zhǎng)中樞”，通過(guò)精確的分裂與分化，繪制植物生長(zhǎng)藍(lán)圖。

近日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在植物干細(xì)胞命運(yùn)決定研究方面取得進(jìn)展。

▲細(xì)胞壁與植物干細(xì)胞命運(yùn)決定

01

植物細(xì)胞的“外骨骼”

細(xì)胞壁作為植物細(xì)胞的“外骨骼”，其力學(xué)特性在干細(xì)胞調(diào)控中扮演著核心角色。

研究發(fā)現(xiàn)，在植物莖尖干細(xì)胞區(qū)域，細(xì)胞壁的主要成分果膠呈現(xiàn)“二元分布”模式，即新形成的細(xì)胞橫壁偏“軟”，富含去甲酯化果膠，而成熟的細(xì)胞壁更“硬”，以高度甲酯化的果膠為主。這種“軟硬兼?zhèn)洹钡臅r(shí)空構(gòu)型，對(duì)干細(xì)胞微環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持至關(guān)重要。

▲擬南芥分生組織干細(xì)胞的細(xì)胞壁“二元修飾”模式

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，植物通過(guò)精確控制特定mRNA即信使分子的時(shí)空分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞壁微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制。這一調(diào)控使干細(xì)胞在適宜時(shí)機(jī)以正確的方式進(jìn)行分裂，以確保植物正常發(fā)育和形態(tài)構(gòu)建。

具體而言：在新生的細(xì)胞壁中，果膠成分的去甲酯化過(guò)程賦予其柔軟性和可塑性，為細(xì)胞靈活確定分裂的方向和位置提供支持；在成熟的細(xì)胞壁中，果膠保持高甲酯化狀態(tài)，利于維持干細(xì)胞持續(xù)分裂能力及組織穩(wěn)定。

因此，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，可被視為調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)的“核心開關(guān)”，主導(dǎo)其分裂和分化等狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

PME5

02

植物的“時(shí)間膠囊”

研究同時(shí)解析了這一“核心開關(guān)”的運(yùn)作機(jī)制。

科研人員發(fā)現(xiàn)，催化果膠“軟化”的關(guān)鍵酶PME5的信使RNA（mRNA）在轉(zhuǎn)錄后未立即進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，而是被特異性滯留于細(xì)胞核內(nèi)，形成與細(xì)胞周期同步的mRNA儲(chǔ)備庫(kù)。當(dāng)細(xì)胞分裂啟動(dòng)、核膜解體時(shí)，這些被禁錮的mRNA被同步釋放，迅速翻譯為功能蛋白，精準(zhǔn)作用于新生細(xì)胞壁，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞壁局部、定時(shí)定點(diǎn)的“軟化”調(diào)控。

這種mRNA的核內(nèi)隔離機(jī)制，猶如預(yù)設(shè)的“時(shí)間膠囊”，將細(xì)胞壁修飾程序鎖定在細(xì)胞分裂的關(guān)鍵時(shí)間窗口，從而實(shí)現(xiàn)新舊細(xì)胞壁性質(zhì)的精確區(qū)分。該機(jī)制闡釋了植物在緊密相鄰的細(xì)胞區(qū)域內(nèi)維持不同的細(xì)胞壁力學(xué)特性。

研究證實(shí)，一旦該調(diào)控機(jī)制被破壞，植物將表現(xiàn)出細(xì)胞分裂模式紊亂、干細(xì)胞活性降低、分生組織發(fā)育終止等缺陷，表明細(xì)胞壁的精細(xì)構(gòu)造對(duì)干細(xì)胞的活性具有關(guān)鍵作用。

03

育種新途

這一研究揭示了植物干細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了全新的基因表達(dá)調(diào)控模式——mRNA核滯留。PME5 mRNA在細(xì)胞內(nèi)的時(shí)空位置被精細(xì)調(diào)控，猶如一套內(nèi)在的“時(shí)空協(xié)調(diào)程序”，巧妙地將干細(xì)胞增殖與細(xì)胞壁重建緊密聯(lián)系，精準(zhǔn)主導(dǎo)干細(xì)胞分裂和分化的時(shí)機(jī)。

該調(diào)控機(jī)制在玉米、大豆、番茄等作物中高度保守。作物的株高、分蘗數(shù)、穗型和果實(shí)大小等農(nóng)藝性狀，均與干細(xì)胞活力相關(guān)。

基于“細(xì)胞壁精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”策略，有望提升作物分生組織活性和產(chǎn)量潛力，為培育高產(chǎn)高效作物提供理論支撐和技術(shù)路徑。

論文鏈接：

DOI：science.org/doi/10.1126/science.ady4102

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心

責(zé)任編輯：侯茜