植物性別需要推力

在將于2018年9月出版的“技術”雜志上發(fā)表的一篇論文中，現(xiàn)在已經(jīng)使用微流體技術測量了微觀器官在植物中傳遞精子細胞所產(chǎn)生的推力。蒙特利爾大學(現(xiàn)稱蒙特利爾大學)，麥吉爾大學和康考迪亞大學的納米和微系統(tǒng)工程師和植物生物學家團隊設計了一種微芯片，使研究人員能夠測量植物使用的精子輸送工具施加的力量。談判雌性花組織以實現(xiàn)受精。

用于測量花粉管生長力的芯片實驗室的制造非常復雜，涉及多層精確設計的彈性體材料的組裝，精度在微米范圍內。植物的繁殖對人類的生存至關重要，因為我們消耗的大部分卡路里都依賴于它。成功的植物受精是形成種子的基礎，如水稻，玉米和小麥，以及水果和許多蔬菜。因此，未施肥可能會產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟和人道主義后果。

為了模仿花組織的生物迷宮，將花粉管策略性地引導到微型裝置中并暴露于微型力平衡。當管子與測量儀相互作用時，它們使裝置偏轉，并且失速力提供了微小細胞能夠施加的推力量的信息。該力的大小表明驅動入侵過程的細胞壓力對應于典型的汽車輪胎的細胞壓力。奇怪的是，花粉管改變了頻率或它們的振蕩生長模式，表明細胞“感覺”并且對環(huán)境的物理抗性作出反應。

植物中的精子細胞遞送與人和動物中的類似過程有許多相似之處。植物中的卵細胞深深地嵌入雌性組織中，因此，由雄性伴侶即花粉粒遞送精子細胞需要形成侵入雌性組織的突起。與人類對應物相反，每株植物雄性僅遞送兩個精子細胞，并且該過程以其死亡結束。“這就是花朵形成如此多花粉粒的原因”該研究的資深作者Anja Geitmann說。這些微觀球體的生物學目的是將精子細胞從一朵花傳遞到另一朵花。

與動物精子細胞不同，植物精子細胞不能運動，因此必須將它們直接遞送到卵細胞以進行受精。因此，輸送器官的增長至關重要。雌花組織代表了花粉管必須通過其操縱的強大復雜的迷宮。對于定位至關重要，花粉管能夠遵循女性伴侶發(fā)出的指導線索。“我們長期以來一直懷疑這個過程不僅需要復雜的導航系統(tǒng)，還需要大量的力量，”Geitmann解釋說，“但這種單細胞產(chǎn)生多大的力量是未知的。”

康考迪亞大學教授Muthukumaran Packirisamy補充說：“從機械的角度來看，花粉管伸長的過程類似于用于血管成形術的球囊導管 - 力是基于氫化骨架原理或壓力下的流體產(chǎn)生的。設計了一個基于微觀懸臂的測量儀，花粉管必須用力推動，以便繼續(xù)伸長。“

該實驗需要微系統(tǒng)技術，因為花粉管的尺寸很小，因此它們用于實現(xiàn)穿透的微小力量。在大花中，花粉管可以變成許多厘米長，但與花的大小無關，管的寬度只有5到20微米。作為比較，人的頭發(fā)通常為100微米厚。

該研究不僅用于定量測定花粉管的侵入力，還用于密切監(jiān)測其與物理對象相遇時的行為。研究人員觀察到，細胞的特征性振蕩生長模式通過與物理障礙物的接觸而顯著改變，導致他們懷疑管子能夠根據(jù)其遇到的機械阻抗感知并能夠適應其生長力。單個細胞的這種可調和復雜的行為是令人著迷的，并且說明了生殖過程的復雜性，即使在植物中也是如此。

來自麥吉爾大學的團隊正在努力進一步表征花粉管的侵入行為，以了解細胞生長機制如何將生長方向引向其目標，以及細胞如何與女性組織相互作用，而Concordia大學的團隊繼續(xù)開發(fā)用于研究不同細胞行為和特性的芯片實驗室。

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