植物知道如何做一個巧妙的技巧。通過光合作用，他們利用陽光和二氧化碳來制造食物，將我們呼吸的氧氣作為副產(chǎn)品排出。這種進(jìn)化創(chuàng)新對植物身份至關(guān)重要，幾乎所有陸地植物都使用相同的氣孔 - 稱為氣孔- 吸收二氧化碳并釋放氧氣。

氣孔微小，微觀，對光合作用至關(guān)重要。成千上萬的點綴在植物的表面。了解氣孔如何成為理解植物如何生長和生產(chǎn)生物量的關(guān)鍵基本信息。

在5月7日發(fā)表在“發(fā)育細(xì)胞”雜志上的一篇論文中，華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊描述了細(xì)微的細(xì)胞交響樂，它產(chǎn)生微小的功能性氣孔?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，植物中的一種基因MUTE可以協(xié)調(diào)氣孔的發(fā)育。MUTE指導(dǎo)其他基因的活動，這些基因告訴細(xì)胞何時分裂而不是分裂 - 就像指揮告訴音樂家何時播放以及何時保持沉默一樣。

“MUTE基因是氣孔發(fā)育的主要調(diào)節(jié)因子，”資深作者Keiko Torii說，他是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的生物學(xué)和生物學(xué)教授。“MUTE通過啟動單輪細(xì)胞分裂對氣孔的正確形成進(jìn)行精確控制 -正好在氣孔發(fā)育的前體細(xì)胞中進(jìn)行。”

氣孔類似于甜甜圈 - 一個圓孔，中間有一個洞，供氣體進(jìn)入或離開植物?？子蓛蓚€細(xì)胞組成 - 每個細(xì)胞稱為保衛(wèi)細(xì)胞。它們可以膨脹或收縮以打開或關(guān)閉孔隙，這對于調(diào)節(jié)光合作用的氣體交換以及組織中的水分含量是至關(guān)重要的。

“如果植物不能制造氣孔，它們就不可行 - 它們不能'呼吸'，”日本名古屋大學(xué)教授都靈說。

Torii和她的團(tuán)隊研究了擬南芥(Arabidopsis thaliana)中氣孔形成的基因，這是一種小雜草，是地球上研究最廣泛的植物之一。Torii團(tuán)隊和其他研究人員過去的研究表明，在擬南芥中，MUTE在氣孔形成中起著重要作用。MUTE基因編碼可以控制其他植物基因的“開”或“關(guān)”狀態(tài)的細(xì)胞蛋白質(zhì)的說明書。

研究人員創(chuàng)造了一種擬南芥株，可以人工產(chǎn)生大量的MUTE蛋白，因此他們可以很容易地識別MUTE蛋白打開或關(guān)閉的基因。他們發(fā)現(xiàn)許多活化基因控制細(xì)胞分裂 - 這一過程對氣孔發(fā)育至關(guān)重要。

在擬南芥中，如在幾乎所有植物中一樣，氣孔由稱為保衛(wèi)母細(xì)胞或GMC的前體細(xì)胞形成。為了形成氣孔的工作氣孔 - 一個GMC分裂一次以產(chǎn)生配對的保衛(wèi)細(xì)胞。由于他們的數(shù)據(jù)顯示MUTE蛋白轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂的基因，Torii和她的團(tuán)隊想知道MUTE是否是激活這一輪細(xì)胞分裂的基因。如果是這樣，那就必須是一個受到嚴(yán)格監(jiān)管的過程。遺傳程序必須在GMC中打開細(xì)胞分裂，然后快速將其快速切換回來以確保僅發(fā)生一輪分裂。

Torii的團(tuán)隊表明，MUTE蛋白激活其DNA的基因之一是CYCD5; 1是導(dǎo)致GMC分裂的基因。研究人員還發(fā)現(xiàn)，MUTE蛋白可以轉(zhuǎn)化為兩種基因，即FAMA和FOUR LIPS。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，因為雖然CYCD5; 1開啟GMC的細(xì)胞分裂，但FAMA和FOUR LIPS關(guān)閉或抑制細(xì)胞分裂程序。

“我們的實驗表明，MUTE正在開啟細(xì)胞分裂激活因子和細(xì)胞分裂抑制因子，這似乎違反直覺 - 它為什么會同時進(jìn)行?”托里說。“這使我們對了解GMC和氣孔中這些基因的時間調(diào)節(jié)非常感興趣。”

通過精確的實驗，他們收集了關(guān)于這些細(xì)胞分裂激活劑和阻遏物的MUTE活化時間的數(shù)據(jù)。他們將這些信息納入數(shù)學(xué)模型，模擬了MUTE如何激活和抑制GMC中的細(xì)胞分裂。首先，MUTE打開激活劑CYCD5; 1 - 觸發(fā)一輪細(xì)胞分裂。然后，F(xiàn)AMA和FOUR LIPS起到防止進(jìn)一步細(xì)胞分裂的作用，產(chǎn)生一個由兩個保衛(wèi)細(xì)胞組成的功能性氣孔。

“就像領(lǐng)獎臺上的指揮一樣，MUTE似乎發(fā)出了它的目標(biāo)基因的信號- 其中每個都有特定的，甚至相反的部分可以在隨后的部分中發(fā)揮作用，”Torii說。“結(jié)果是一個緊密耦合的激活和抑制序列，產(chǎn)生了陸地植物上最古老的結(jié)構(gòu)之一。”