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科学封面

科学封面(第29期)丨嘿,你该发芽了!种子有感而“发”的秘密

编辑:叶鑫 来源:学术委员会 时间:2019年03月20日 访问次数:2350  源地址

美国作家梭罗说过:只要你有一粒种子,我就准备看到奇迹2019年1月初,一粒棉花的种子创造了奇迹,登录月球背面的月球车上,它倔强地萌发了,成为第一种在外星球成功萌发的植物。


种子是如何感知环境然后发芽的?最近,浙江大学农学院张天真教授课题组在棉花中找到一个小分子“开关”HSP24.7,它能直接感知环境温度并调控种子的萌发。如果缺少这个蛋白,即使周围温暖和煦,棉花仍像置身于低温,继续“沉睡”。

相关论文今年2月在PNAS杂志发表,学界认为,这一发现为人类认识植物温度响应的分子机制掀开了一角,在作物种子生产、保存和育种中都具有重要的应用意义。


“抢跑”的种子们


论文共同第一作者,马卫博士是在一次偶然中发现研究线索的。那时,他正在做一组棉花种子的耐逆实验。

棉花种子是世界上最有“耐力”的选手之一。作为起源于非洲和中美洲的热带植物,经过数千年的演化,棉花的足迹已经遍布亚洲、南美洲、北美洲等地。当年哥伦布在加勒比海地区遇到棉花的时候,他理所当然的认为这是到达亚洲海岸的另一证据;达尔文随英国皇家海军舰艇贝格尔号考察达加拉帕戈斯群岛,也带回了野生的棉花标本。科学家因此推测,棉花种子具有“随风飘动,随波逐流”的本领,让棉花实现了跨越大洋的全球传播。

“棉花耐寒、耐盐、耐旱,才使长途水陆‘旅行’得以可能。”共同作者之一,浙大“百人计划”学者关雪莹说,实验室试图寻找与棉花耐力相关的基因,以用于作物精准育种。而在实验中,马卫博士惊奇地发现,一批棉花种子明显“抢跑”了:正常情况下,棉花种子在吸足水分后24小时开始萌发,但是其中一组的时间量几乎提前了一半,在12小时的时候就陆续萌发了。

“这现象漂亮得让人不敢相信。”关雪莹说,为了消除“习惯性怀疑”,科学家请另一位研究生重新做了一组实验,结果显示 “抢跑”现象依然显著。是什么导致了种子“抢跑”?课题组决定重新设计实验,去寻找控制种子萌发的“发令枪”。


“扳道工”HSP24.7


众所周知,温度、光照、水分是决定植物种子萌发的重要外因,但是,这些外因如何被植物感知,并启动一系列体内反应,相关的分子机制依然模糊,激发着许多科学家的好奇心。

通过一系列实验,课题组发现“抢跑”的种子们确实不一样。它们体内一个小分子热激蛋白(small heat shock protein)HSP24.7的含量特别高。实验中,科学家调整HSP24.7的表达量,仿佛就能调控种子对环境温度的感应。抑制棉花的HSP24.7表达,即使温度适宜,种子也萌发缓慢,仿佛一直处于低温环境。如果HSP24.7的活跃表达,棉花种子则迅速萌发,在低温时也可以迅速完成。“它可能是植物的温度感受器,”关雪莹说。

“我们进一步发现,HSP24.7是通过调控线粒体的活性完成温度响应的。”张天真说。HSP24.7含量升高,能让线粒体产生更多活性氧,加速种子萌发。


GhHSP24.7 通过感知温度调控种子萌发的分子机制模式图


实验室向杂志社递交他们的实验发现,一位审稿人提出了疑问:我们知道,活性氧过量可能会损害植物健康,“HSP24.7含量升高会导致活性氧过量吗?”

课题组的另一组实验解开了这一疑问,“HSP24.7是一个聪明的‘扳道工’。”关雪莹说。实验显示,在种子萌发的三个小时之后,HSP24.7会诱导另外一条途径让活性氧迅速衰减,同时保证线粒体高效持续提供能源。“活性氧只在关键的时候大量出现,完成使命后,就迅速消失了。”


分镜头慢放:种子萌芽过几道门?



种子萌发有一个“破壳而出”的过程,种皮破裂,胚芽萌出。马卫解剖了出于不同萌发时期的棉花种子,试图“分镜头”解析种子萌发的全过程。他发现了另一“暗门”——胚乳膜。


胚乳膜位于种皮的内层,包裹在胚芽之外,是胚乳的营养被吸收后留下的残余。它很不起眼,最厚的地方有10层细胞,而最薄的地方只有2层细胞。但马卫发现,胚乳膜其实是种子萌发的关键的机械束缚。“HSP24.7控制的种子萌发速度快慢,并不是胚的活力差异造成的,而是胚乳膜的强度。”

一组力学实验帮助课题组更加清楚的了解其中的机制。课题组用一根针去探测不同萌发时期的胚乳膜的强度,数据显示,萌发之后的胚乳膜强度明显下降了。

至此,植物感受温度并控制种子萌发速度的机制终于有了一个清晰的途径:HSP24.7感受到适宜的温度时大量表达,适度抑制线粒体活性,释放活性氧,促成了胚乳膜内关键组分的降解,胚乳膜强度减小,种子顺利萌发。“我们还在拟南芥和番茄种子中做了相关实验,发现这一机制在双子叶植物中是普遍适用的。”张天真说。

如何赢在“起跑线”


种子萌发是植物生命周期开始的第一步。作为人类最为重要的农作物之一,人们希望田里的棉花们能“统一步调”,而不是各有节奏,这样才能高效地实现同步采收,这也是农作物精准育种的目标之一。“当我们知道植物感知温度的分子机制,可以更好得用于棉花的育种。”张天真说。

我国是棉花种植大国,全国70%的棉花产量来自于新疆,对于种子温度响应的机制的发现,将进一步指导人们怎样在低温、干旱、盐碱地种出更好的棉花。



论文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/02/13/1815790116


(科学撰稿人 周炜)


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