一個(gè)國際植物生物學(xué)家小組首次發(fā)現(xiàn)了開花植物中母親和父親的因素如何合作以發(fā)展他們孩子的形狀。到目前為止，尚不清楚父系因素是否合作或相互沖突導(dǎo)致合子不對稱。這一發(fā)現(xiàn)的結(jié)果有望揭示植物體形成的確切機(jī)制，并可能導(dǎo)致新雜交植物的產(chǎn)生。

名古屋大學(xué)轉(zhuǎn)化生物分子研究所(ITbM)的一組植物生物學(xué)家在“基因與發(fā)育”雜志上報(bào)道了他們發(fā)現(xiàn)植物的母系和父系因子如何合作以使兒童適當(dāng)生長。

在由ITbM的講師Minako Ueda博士領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究中，該小組發(fā)現(xiàn)受精后，來自父親精子細(xì)胞的因子會激活受精卵中的特定蛋白質(zhì)(受精卵細(xì)胞)。此外，這種活化的蛋白質(zhì)與來自母體卵細(xì)胞的因子配合，使受精卵以正確的方式發(fā)育。這項(xiàng)研究首次表明父親和母親衍生因素如何在植物的兒童發(fā)育中合作。

以與動物相似的方式，在父親的精子細(xì)胞在植物中受精母細(xì)胞時(shí)產(chǎn)生受精卵(兒童)。隨后，所產(chǎn)生的受精卵含有來自親本細(xì)胞的基因和蛋白質(zhì)的混合物。受精卵周圍的營養(yǎng)組織也是通過受精形成的，并且已知在該組織中存在父母沖突現(xiàn)象，其中父系和母系因子彼此相對。

在多個(gè)種子由單一雌蕊(雌性生殖器官=母親)制成的植物中，雌蕊中的所有種子都被認(rèn)為是母親的子女。另一方面，由不同雄性物種產(chǎn)生的花粉(雄性生殖器官=父親)可以附著在單個(gè)雌蕊上，即使它在同一雌蕊內(nèi)，也只考慮從其自身精子細(xì)胞產(chǎn)生的種子。作為父親的孩子。換句話說，母親可以在其雌蕊內(nèi)生育來自不同父親的孩子，父親不會將其他父親的種子視為自己的孩子。由于男性和女性之間的感知差異，母親試圖將營養(yǎng)素均勻地分配給每個(gè)孩子，而父親試圖將營養(yǎng)物質(zhì)集中在自己的孩子身上。

“雖然營養(yǎng)組織中的父母沖突以前是眾所周知的，但是，在受精卵中，父母因素是否相互抵消或合作仍然是一個(gè)謎，”Ueda說。“自從2011年開始這項(xiàng)調(diào)查以來，我們能夠證明該工廠的母親和父親實(shí)際上在孩子的發(fā)展中合作。”該研究是通過名古屋大學(xué)(日本)，奈良高等科學(xué)技術(shù)研究所(日本)，根特大學(xué)(比利時(shí))和弗萊堡大學(xué)(德國)的研究人員的國際合作進(jìn)行的。

在植物體形成過程中，受精卵在垂直方向上伸長并分裂形成胚胎。這種不對稱的細(xì)胞分裂分別導(dǎo)致胚胎頂部和底部的小細(xì)胞和大細(xì)胞。小頂部細(xì)胞形成圓形組織并最終生長成植物的花和葉，而大底部細(xì)胞伸長形成根。因此，受精卵的伸長和細(xì)胞分裂的方向決定了植物體的垂直軸。Ueda的研究小組發(fā)現(xiàn)，在受精卵中，來自父母的因子相互合作，導(dǎo)致受精卵的不對稱分裂和胚胎的適當(dāng)發(fā)育。

來自Ueda小組的先前研究表明，來自母體和父系細(xì)胞WRKY2的蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)制造受精卵和胚胎的形狀。WRKY代表氨基酸(以單字母??代碼表示)，其存在于蛋白質(zhì)的核心中(W =色氨酸，R =精氨酸，K =賴氨酸和Y =酪氨酸)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，在精子細(xì)胞中產(chǎn)生的稱為SHORT SUSPENSOR(SSP)的因子對受精卵的細(xì)胞分裂和胚胎的發(fā)育很重要。在這項(xiàng)研究中，Ueda和她的同事研究了WRKY2和SSP在植物體發(fā)育中的關(guān)系。

“我們發(fā)現(xiàn)了一種信號通路，其中SSP使受精卵中的WRKY2蛋白磷酸化，從而激活WRKY2，”Ueda解釋道。“我們還確定了蛋白質(zhì)上的哪些位點(diǎn)被磷酸化，發(fā)現(xiàn)WRKY2中包含的簇內(nèi)的5個(gè)絲氨酸殘基對蛋白質(zhì)功能很重要。”

Ueda小組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明磷酸化通過使用不存在SSP的突變體激活WRKY2，并通過堿交換取代WRKY2中的絲氨酸殘基與天冬酰胺，其模擬絲氨酸磷酸化。具有活化的WRKY2的突變體導(dǎo)致受精卵的不對稱分裂。

上田的研究小組還發(fā)現(xiàn)同源異型GLABROUS11(HDG11)和HDG12，從蛋得出的因子的細(xì)胞，它負(fù)責(zé)控制胚胎的受精卵發(fā)育的不對稱分裂。該小組先前報(bào)道WRKY2作用于WUSCHEL(WUS)HOMEOBOX8(WOX8)基因以合成WOX8蛋白，其導(dǎo)致受精卵的不對稱分裂。在這項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)HDG11 / 12也作用于WOX8基因。HDG11 / 12不在精子細(xì)胞中表達(dá)，并且來自卵細(xì)胞的HDG11 / 12導(dǎo)致受精卵的不對稱分裂。因此，來自母親的HDG11 / 12與來自父親的SSP活化的WRKY2合作，產(chǎn)生WOX8蛋白，這是早期植物發(fā)育的關(guān)鍵因子。

通過他們的研究，他們觀察到?jīng)]有SSP，WRKY2和HDG11 / 12的受精卵不能正常發(fā)育，它們的細(xì)胞分裂不再變得不對稱。另外，胚胎不能以適當(dāng)?shù)姆绞桨l(fā)育并且不能以正確的形狀生長。

“我們能夠通過我們的研究證明，父母與母親之間的合作對于擬南芥植物中受精卵和胚胎的發(fā)育至關(guān)重要，”Ueda說。

該小組還檢測到WOX8蛋白僅在沒有SSP(與父親相關(guān))和HDG11 / 12(與母親相關(guān))的受精卵中少量合成。因此，該小組假設(shè)父系因子相互合作以合成足夠量的WOX8以幫助塑造兒童的植物體。在沒有SSP或HDG11 / 12的受精卵中，該組人工合成了WOX8蛋白，導(dǎo)致受精卵的不對稱分裂。這提供了WOX8蛋白質(zhì)對于塑造植物體很重要的證據(jù)。

這項(xiàng)研究首次表明，植物受精卵中父系和母系因子的合作有助于從發(fā)育的早期階段塑造兒童的植物體。這與在受精卵周圍的營養(yǎng)組織中提出的父母沖突理論相反。

Ueda的團(tuán)隊(duì)在受精卵中展示了一種新的父母關(guān)系，父母的因素在這種關(guān)系中相互配合。這種合作機(jī)制的發(fā)現(xiàn)有望進(jìn)一步了解父母因素如何控制植物兒童發(fā)育的策略。此外，該小組還能夠證明，在沒有親本因子(SSP和HDG11 / 12)的情況下人工合成WOX8蛋白也會導(dǎo)致胚胎發(fā)育。通過應(yīng)用這種方法，可以在不同植物物種之間產(chǎn)生雜種植物，其中親本因子不一定匹配。

“植物已經(jīng)發(fā)展到為動物開發(fā)出不同的生長機(jī)制，”上田說。“父母合作的觀察結(jié)果，其中父系因子在早期發(fā)育中起作用，可能是植物獨(dú)特的適應(yīng)策略，也可能存在于其他植物物種中。”