Science子刊：意外！植物细胞之间竟可交换细胞器

2021年1月10日讯/生物谷BIOON/---过去的遗传实验已表明，当植物嫁接在一起时，整个基因组可以在宿主和嫁接体之间移动，但并不清楚遗传物质是如何移动的。在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克植物分子生理学研究所的研究人员证实了整个细胞器可以在植物细胞之间移动，并且是带着它们的基因组一起移动。相关研究结果近期发表在Science Advances期刊上，论文标题为“Horizontal genome transfer by cell-to-cell travel of whole organelles”。

图片来自Science Advances, 2021, doi:10.1126/sciadv.abd8215。

美国罗格斯大学植物生物学家Pal Maliga（未参与这项新的研究）说，在这之前的研究中，“除了进入细胞器，没有办法合理解释整个基因组是如何转移过来的。否则，你会看到传入的基因组和驻留基因组之间发生基因重组。”质体（plastid）是一组小型细胞器，包括叶绿体、线粒体和细胞核，都含有遗传物质。人们因此做出了基因组通过细胞器移动的推断，他解释说，“但是，这篇论文漂亮地展示了细节是什么。我非常高兴地看到，当时解释这一生物学现象的假设实际上是真实存在的。”

马克斯-普朗克分子植物生理学研究所的Ralph Bock 领导的一个研究团队在2009年发表的一项研究中已发现，嫁接的烟草植物可以共享整个基因组。基因水平转移--即遗传物质通过受精以外的某种方法在个体之间传递---已被证明能在不同层面上影响植物进化，包括共享有益基因，但整个基因组的移动却不那么常见，也不那么被人理解。虽然最初和随后的研究已提示着，转移的DNA很可能来自移动的细胞器中包含的基因组，但是人们无法确定裸露的DNA有没有被大片段地共享。

马克斯-普朗克分子植物生理学研究所博士后研究员Alexander Hertle有着丰富的显微镜经验。他和Bock走到了一起，将Bock实验室多年支持细胞器移动的遗传证据和Hertle的成像专业知识结合起来。Hertle说，“我有兴趣看看[Bock]在他的论文中显示的东西是否真地是真的。”

在这项新的研究中，Bock及其同事们使用了细胞核基因组中含有一种抗生素抗性基因和荧光报告基因的烟草，以及叶绿体基因组中含有一种不同抗生素抗性基因和一种不同的荧光报告基因的另一株烟草。当他们将这两株烟草嫁接在一起时，所形成的植物在含有这两种抗生素的生长培养基上生长，并产生两种荧光报告分子。这些发现与之前的研究一致，但仍无法让他们区分基因组信息是通过细胞器还是通过裸露的DNA进行转移。

为了进行这种区分，这些作者解剖了嫁接交界处的组织，并对活的细胞和固定后的细胞进行了成像。这揭示了位于细胞壁上的孔附近的质体，以及一个细胞的细胞质伸向另一个细胞的位点。这些作者还发现了比驻留质体（resident plastid）更小的质体，小到可以通过细胞间的孔。在实时成像过程中，这些较小的质体以一种变形虫的方式从一个细胞移动到另一个细胞。他们还证实，这些移动的细胞器含有DNA，从而证实它们是他们在遗传上观察到的基因组转移的来源。

虽然他们不能完全排除裸露的DNA在细胞之间移动，“我们实时观察到的......是这些细胞器可以从一个细胞进入另一个细胞”。

瑞典农业科学大学植物生物学家Charles Melnyk（未参与这项新的研究）说，“一个突出的问题是，为什么会发生这种情况？”他补充说，这些作者已经在嫁接的背景下研究了这个问题，嫁接是由于伤害植物而产生的。“只要植物细胞受到损伤，它似乎就会改变其细胞壁的特性，然后这些变化就会让这种类型的转移事件发生。”

Maliga说，“也许植物细胞可以做到这一点，即使没有嫁接，也是如此，但总得有人来研究一下。”

参考资料：

1.Alexander P. Hertle et al. Horizontal genome transfer by cell-to-cell travel of whole organelles. Science Advances, 2021, doi:10.1126/sciadv.abd8215.

2.Plant Cells Swap Organelles
https://www.the-scientist.com/news-opinion/plant-cells-swap-organelles-68326