生物通報(bào)道多年來玉米的性生活吸引了大量的熱切關(guān)注。在公元前5000年時(shí)，美洲的農(nóng)學(xué)家們采用異花授粉的植物來生產(chǎn)更大的植物或彩色果核，從而生成了第一個(gè)雜交玉米品種。
今天，玉米雜交制種成為了一種數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，并且雜交育種對(duì)生產(chǎn)大多數(shù)其他的物種也同樣十分重要。然而盡管植物繁殖在農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)中占據(jù)中心地位，研究人員卻一直未能解答一個(gè)基礎(chǔ)的問題：植物的性細(xì)胞從何而來？
根據(jù)斯坦福大學(xué)生物學(xué)教授Virginia Walbot和研究生Timothy Kelliher,所說，答案驚人的簡(jiǎn)單。在一組精巧的實(shí)驗(yàn)中，研究人員證實(shí)發(fā)育花卉內(nèi)深處低氧水平就是觸發(fā)性細(xì)胞形成的必要條件。
這一發(fā)現(xiàn)不僅僅是學(xué)術(shù)興趣。
“控制植物繁殖對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是相當(dāng)重要的，”Walbot說。
在玉米產(chǎn)業(yè)中，使種子去雄仍然是通過手工操作的方式控制誰讓誰受精，一項(xiàng)開關(guān)性細(xì)胞生成的技術(shù)可顯著提高對(duì)植物雜交育種的控制。
該研究論文發(fā)布在近期的《科學(xué)》（Science）雜志上。
當(dāng)兩朵花彼此深愛
所有的開花植物都在稱為花藥的結(jié)構(gòu)中生成花粉。然而在這些花藥成熟前，它們排列在植物深處的一個(gè)三葉草形狀中。每個(gè)三葉草樣裂片中的中央細(xì)胞將轉(zhuǎn)變?yōu)樾约?xì)胞，并最終變?yōu)榛ǚ邸?/p>
植物中這一發(fā)育背后的機(jī)制并不清楚。在動(dòng)物中，周圍細(xì)胞向生殖細(xì)胞發(fā)送信號(hào)開始形成單個(gè)生成細(xì)胞（founder cell）。Walbot和Kelliher都傾向于這一觀點(diǎn)，并確定了兩種有希望的信號(hào)分子MAC1和MSCA1.。缺失MAC1蛋白的植物形成了太多的生殖細(xì)胞。缺失MSCA1的植物根本沒有生殖細(xì)胞。
顯然，MAC1對(duì)于組織生殖細(xì)胞周圍的非性細(xì)胞非常重要，而MSCA1則是細(xì)胞形成性細(xì)胞所必需的。但是對(duì)于兩者之間的聯(lián)系，以及什么最初導(dǎo)致了它們的表達(dá)仍不清楚。
盡管大多數(shù)研究人員認(rèn)為，與在動(dòng)物中一樣，性細(xì)胞是從一組特殊帶有預(yù)定作用偏向的細(xì)胞發(fā)育而成，Walbot和Kelliher看到了兩條線索暗指其他。
首先，這些性細(xì)胞的物理排列并沒有指明單個(gè)“生成細(xì)胞”的存在。其次，MSCA1酶運(yùn)作的方式表明氧水平有可能在信號(hào)傳導(dǎo)過程中發(fā)揮了作用。
植物內(nèi)的環(huán)境可能是“氧化的”（氧氣充足，偏愛氧化）或是“還原的”（氧化被阻止，通常因缺乏活性氧，偏愛相反的還原過程）。MSCA1恰巧通過還原發(fā)送信號(hào)，這意味著不同的氧水平有可能具有不同的發(fā)育影響。
為檢驗(yàn)這一理論，研究人員將一種探針插入玉米未成熟的花藥組織中。他們發(fā)現(xiàn)：異常低氧水平（有可能是快速生長(zhǎng)的花藥代謝活動(dòng)的副作用）——在精確的時(shí)間，細(xì)胞開始轉(zhuǎn)變?yōu)榱诵约?xì)胞。
玉米之子的研究
密切關(guān)注整個(gè)植物的生育過程對(duì)于雜交育種產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。田地里通常會(huì)種植兩種不同品種的玉米種使其雜交。為了防止植物自花授粉，導(dǎo)致次等品質(zhì)的植物，需要去除一個(gè)物種的所有雄花穗。
這是一個(gè)艱巨的任務(wù)，需要專門的去雄機(jī)器，隨后還有專人檢測(cè)遺漏的植物。
“目前他們每年要對(duì)100萬英畝的玉米去雄花穗，每英畝2萬株植物。有數(shù)十億手動(dòng)去雄植物，”Walbot.說。
不育玉米品種已不需去雄，但自花授粉的版本被證實(shí)難于改良。低氧絕育法可使自交變得更簡(jiǎn)單，允許應(yīng)用于大量的品種。
“我們把留下這些應(yīng)用給產(chǎn)業(yè)，”Walbot.說。但研究的影響可能是廣泛的。假設(shè)這些結(jié)果適用于所有開花植物，如許多研究小組現(xiàn)在正在尋求確證的，這一發(fā)現(xiàn)可能為一系列的農(nóng)作物提供新水平的生育控制。
斯坦福大學(xué)正在就論文的一些結(jié)果申請(qǐng)專利。
