Science：揭示植物减数分裂期间对植物基因表达进行重编程的新机制

在一项新的研究中，来自捷克马萨里克大学和奥地利维也纳生物中心的研究人员发现了一种以前未知的机制，该机制负责在一个细胞分化为另一个细胞的过渡时期对植物的基因表达进行重新编程。该机制发生在减数分裂---一种对有性生殖至关重要的特殊细胞分裂---的末期，并使生殖细胞和花粉的分化成为可能。这一机制涉及到关键调节成分动态定位到类似液滴的细胞内凝聚物中。这一过程与种子产生密切相关，并可能为开发适应更恶劣环境条件的更可持续的农作物提供新的可能性。相关研究结果发表在2022年8月5日的Science期刊上，论文标题为“Meiotic exit in Arabidopsis is driven by P-body–mediated inhibition of translation”。

细胞不是静态的实体，而是从一种类型转变为另一种类型。一组特定基因的激活决定了细胞如何专门执行特定的任务，并决定了它们何时分裂或何时分化。细胞生物学家结合各种先进的科学方法来研究植物的微观世界中的这些非常复杂的过程。细胞生物学目前正在经历一场真正的革命，关于细胞结构的经典观点正在被扩展到新的领域。

论文第一作者、马萨里克大学中欧理工学院的Albert Cairó解释说，“现在我们知道，细胞不仅包含由膜包围的传统细胞器，而且许多分子过程被限制在不太明确的无膜细胞器---也被称为生物分子凝集物（biocondensates）---中。在过去的十年中，这些生物凝集物的重要性已经开始被认识。我们如今通过展示一种特定类型的生物凝集物如何在减数分裂结束时形成并抑制蛋白的合成，对这一领域做出了贡献。”

Cairó补充说，“在一方面，这终止了减数分裂过程，但是在另一方面，它标志着遗传上不同的一代细胞的开始。”但这还不是全部。这些作者认为，类似的机制也在其他有机体和细胞环境中发挥作用，包括细胞分化或应激反应。

论文通讯作者、马萨里克大学中欧理工学院的Karel Riha及其研究团队取得的这一发现可能会产生巨大的社会影响。Riha解释说，“我们生活在一个气候紧急的状态中。即使植物能够抵抗巨大的各种压力，包括高温和干旱，它们的发育和繁殖也会受到严重的影响。这意味着我们面临着农作物大幅减产的风险，而这恰恰是在必须增加产量以满足人类需求的时候。这就是为什么植物研究现在应该成为优先事项之一。”

Riha实验室的主要任务是阐明与植物繁殖和种子形成密切相关的基本生物过程，在许多作物中，这些过程转化为产量。

Cairó解释说，“这些研究结果表明，生物分子凝集物在植物生育中发挥着重要作用，它们的行为可能与环境应激有关。因此，很明显，我们的发现是开发新的解决方案的第一步，从而在更苛刻的条件下实现持续的作物生产。Riha团队所采用的技术方法确实令人钦佩，这项研究在Science期刊上的发表让人确信Riha实验室正朝着正确的方向发展。”

通往这一发现的道路

研究模式植物拟南芥的减数分裂是特别具有挑战性的。这些作者专注于隐藏在0.1～0.4毫米小花蕾中的罕见细胞。此外，作为研究重点的减数分裂阶段发生得很快---整个过程需要五到六个小时。因此，它们不容易被捕获。他们必须使用最先进的技术和相当一部分的创造力和想象力来研究这个过程。

Riha团队必须为花药（雄蕊中包含花粉的部分）内的减数分裂的实时成像创造条件。该团队使用了先进的显微镜，成为世界上能够实时观察植物减数分裂的两个实验室之一。该团队获得的另一项重要专业知识是掌握了原生质体（protoplast）技术。原生质体是分离出来的被剥夺了周围细胞壁的植物细胞，这使得它们易于在显微镜下进行基因操作和可视化观察。这项技术使该团队能够比使用减数分裂细胞更快速有效地阐明一些问题。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Albert Cairo et al. Meiotic exit in Arabidopsis is driven by P-body-mediated inhibition of translation. Science, 2022, doi:10.1126/science.abo0904.