來(lái)自密歇根州立大學(xué)的植物生理學(xué)家首次證明，針葉樹需要通常被認(rèn)為是細(xì)胞能量產(chǎn)生的副產(chǎn)物的危險(xiǎn)活性氧物質(zhì)才能使卵細(xì)胞受精。藍(lán)云杉(Picea pungens)花粉的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了一種蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮作用?？茖W(xué)家認(rèn)為，獲得的數(shù)據(jù)將導(dǎo)致針葉林恢復(fù)的最優(yōu)化。該研究的結(jié)果發(fā)表在植物再生產(chǎn)中。

“對(duì)針葉樹有性繁殖的研究還處于早期階段，其中許多方面實(shí)際上都是未知的，”共同作者，密歇根大學(xué)高級(jí)科學(xué)研究員Maria Breygina說(shuō)。“這些研究具有重要意義，因?yàn)獒樔~樹的花粉是一種比開花植物更具古老的定向生長(zhǎng)對(duì)象。”

開花植物有花，雄蕊分布花粉和雌蕊在受精的地方。異花授粉通常對(duì)植物更有利，因?yàn)樗兄谠黾舆z傳多樣性。開花植物中的種子在卵巢內(nèi)形成，而卵巢又形成果實(shí)(這就是開花植物也被稱為被子植物的原因)。然而，裸子植物(其中針葉樹是最著名的群體)也具有異花授粉的機(jī)制。在針葉樹中，這些是實(shí)際上經(jīng)過(guò)改良的豆芽的錐體。針葉樹的錐體是連貫的;雄性球果相對(duì)較小，產(chǎn)生的花粉由風(fēng)分布，雌性球果較大，形成種子。到達(dá)雌性錐體后，花粉粘在特殊液體(松樹和云杉)或小毛(如道格拉斯冷杉)中。

落在正確的地方(在開花植物的雌蕊上或在裸子植物的種子規(guī)模下)，花粉開始生長(zhǎng)，形成花粉管。通過(guò)這個(gè)管，精子細(xì)胞到達(dá)卵細(xì)胞使其受精。在開花植物中，第二個(gè)精子與中央細(xì)胞融合以形成胚乳(種子的營(yíng)養(yǎng)部分，例如，如小麥種子)。這就是為什么這種受精類型被稱為雙受精。

很久以前就描述了所有這些過(guò)程，但現(xiàn)代科學(xué)關(guān)注的是它們的分子和生物化學(xué)方面。最近已經(jīng)確定活性氧(ROS)在被子植物的花粉萌發(fā)中起關(guān)鍵作用。ROS是中性或帶負(fù)電的粒子，其中氧具有不成對(duì)的電子。ROS包括過(guò)氧化物(特別是過(guò)氧化氫)和自由基，例如超氧自由基O2- 。

未配對(duì)的電子使ROS具有高反應(yīng)性。如果細(xì)胞內(nèi)形成大量的ROS，后果可能會(huì)很嚴(yán)重。這些化合物可能影響復(fù)雜生化反應(yīng)，損傷膜，DNA和細(xì)胞其他部分的平衡。這就是為什么，無(wú)論其來(lái)源如何，ROS通常被認(rèn)為是需要盡快中和的危險(xiǎn)副產(chǎn)品。仍然，某些細(xì)胞以少量合成它們并用作信使。由于這些化合物的模糊性，研究ROS的有用功能非常重要，例如它們?cè)谥参锸芫械淖饔谩?/p>

來(lái)自密歇根州立大學(xué)的植物生理學(xué)家首次研究了ROS在針葉樹(即藍(lán)云杉)花粉萌發(fā)中的作用，并發(fā)現(xiàn)花粉粒在發(fā)芽前分泌過(guò)氧化氫和O2-進(jìn)入環(huán)境。隨后在花粉管中形成過(guò)氧化氫梯度，即其尖端中的濃度增加。這種梯度似乎是管子生長(zhǎng)到卵細(xì)胞所必需的，以及支持膜電位(負(fù)電荷)梯度(這是第一次在針葉樹中描述)，盡管這些梯度似乎沒有相關(guān)性直。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了什么蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)這個(gè)過(guò)程。它變成位于細(xì)胞膜中的NADPH氧化酶。該蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)將電子移出細(xì)胞并形成細(xì)胞外超氧化物。ROS很快地相互轉(zhuǎn)化，O2-變成過(guò)氧化物，重新進(jìn)入細(xì)胞。由于該過(guò)程，過(guò)氧化氫在花粉管中梯度分布。實(shí)驗(yàn)表明，在NADPH氧化酶抑制后，花粉粒不發(fā)芽，花粉管變得不能生長(zhǎng)。因此，施肥不會(huì)發(fā)生。

“這項(xiàng)研究和進(jìn)一步研究的結(jié)果可用于優(yōu)化森林恢復(fù)，特別是杉樹，雪松，松樹和銀杉，以及它們?cè)诙砹_斯的選擇和形成一系列森林品種，”Maria Breygina說(shuō)。

本文的所有作者都在密歇根州立大學(xué)學(xué)習(xí)或工作。瑪麗亞負(fù)責(zé)起草文章并處理由博士獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生Nikita Maksimov和本科生Anastasiya Evmenyeva。這個(gè)想法是由生物學(xué)博士，植物生理學(xué)教授，研究協(xié)調(diào)員Igor Ermakov開發(fā)的。