一個國際植物生物學家小組首次發(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致合子不對稱。預計這一發(fā)現(xiàn)的結果將揭示植物體形成的確切機制，并可能導致新雜交植物的產(chǎn)生。

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

在由ITbM的講師Minako Ueda博士領導的一項研究中，該小組發(fā)現(xiàn)受精后，來自父親精子細胞的因子會激活受精卵(受精卵細胞)中的特定蛋白質。此外，這種活化的蛋白質與來自母體卵細胞的因子配合，使受精卵以正確的方式發(fā)育。這項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。

以與動物類似的方式，在父親的精子細胞在植物中受精母細胞時產(chǎn)生受精卵(兒童)。隨后，生成的受精卵含有來自父母細胞的基因和蛋白質的混合物。受精卵周圍的營養(yǎng)組織也是由受精形成的，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)可以附著在單個雌蕊上，即使它在同一雌蕊內(nèi)，也只考慮從其自身精子細胞產(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這種感知差異，母親試圖將營養(yǎng)素均勻地分配給每個孩子，而父親試圖將營養(yǎng)物質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謎，”上田說。“自從2011年開始這項調查以來，我們能夠證明該工廠的母親和父親實際上在孩子的發(fā)展中合作。” 該研究是通過名古屋大學(日本)，奈良高等科學技術研究所(日本)，根特大學(比利時)和弗萊堡大學(德國)的研究人員的國際合作進行的。

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。這種不對稱的細胞分裂分別導致胚胎頂部和底部的小細胞和大細胞。小頂部細胞形成圓形組織并最終生長成植物的花和葉，而大的底部細胞伸長形成根。因此，受精卵的伸長和細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，導致受精卵的不對稱分裂和胚胎的適當發(fā)育。

來自Ueda小組的先前研究表明，來自母體和父系細胞的蛋白質WRKY2負責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)，在精子細胞中產(chǎn)生的稱為SHORT SUSPENSOR(SSP)的因子對受精卵的細胞分裂和胚胎的發(fā)育很重要。在這項研究中，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上的哪些位點被磷酸化，發(fā)現(xiàn)WRKY2中包含的簇內(nèi)的5個絲氨酸殘基對蛋白質功能很重要。”

Ueda小組進行的實驗表明，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胞，它負責控制胚胎的受精卵發(fā)育的不對稱分裂。該小組先前報道WRKY2作用于WUSCHEL(WUS)HOMEOBOX8(WOX8)基因以合成WOX8蛋白，其導致受精卵的不對稱分裂。在這項研究中，他們發(fā)現(xiàn)HDG11 / 12也作用于WOX8基因。HDG11 / 12不在精子細胞中表達，并且來自卵細胞的HDG11 / 12 導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激活的WRKY2合作，產(chǎn)生WOX8蛋白，這是早期植物發(fā)育的關鍵因素。

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，它們的細胞分裂不再變得不對稱。另外，胚胎不能以適當?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，父母和母親之間的合作對于擬南芥植物中受精卵和胚胎的發(fā)育至關重要，”Ueda說。

該小組還檢測到WOX8蛋白僅在沒有SSP(與父親相關)和HDG11 / 12(與母親相關)的受精卵中少量合成。因此，該小組假設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，導致受精卵的不對稱分裂。這提供了WOX8蛋白質對于塑造植物體很重要的證據(jù)。

這項研究首次表明，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的團隊在受精卵中展示了一種新的父母關系，其中父母的因素相互合作。這種合作機制的發(fā)現(xiàn)有望進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蛋白也會導致胚胎發(fā)育。通過應用這種方法，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)展成為動物發(fā)展出不同的生長機制，”上田說。“父母合作的觀察結果，其中父系因子在早期發(fā)展中起作用，可能是植物獨特的適應策略，也可能存在于其他植物物種中。”