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我们不知道答案的125个科学问题(9)植物的体细胞繁殖

已有 3209 次阅读 2017-10-21 18:22 |个人分类:学术园地|系统分类:科研笔记|关键词:科学问题| 科学问题

本系列不仅仅是Science杂志问题的个人翻译,而是试图给出一个答案的可能线索...... 

上接第8个问题:http://blog.sciencenet.cn/blog-318012-1038896.html    

题记:生物学领域的问题,对于植物来说一个体细胞就可以最后发育为整株的植物,这到底是怎么发生的?有许多人因此提出了所谓的全息生物学的概念,然而这仅仅是给了一个概念,而并没有说明为什么。下面来看这个问题:

9. 单个体细胞怎样成为整株物? How Does a Single Somatic Cell Become A Whole Plant?  

       植物的生存和繁殖在枝体上存在很大的灵活性。植物的根可以向水源不断生长,其叶子也可以面向阳光不断伸展,但是整体上植物是不能移动的(这是植物区别于动物的特征),所以植物无法自由逃避掠食者对其枝体的伤害以及自由地寻找自己的同伴。正因为如此,作为一种补偿,许多植物都进化出强大的自我修复功能和自我繁殖策略。植物可以不用接触同伴而发展出各种各样的繁殖方式来进行生存繁衍。比如植物可通过它的一部分,例如根、茎、枝叶或瓣的自然向外生长来产生新的植株。而更为激进的植物竟然可以通过单个体细胞来产生新的个体。例如,大多数柑橘类植物可以通过未受精的配子周围的组织细胞产生新的个体,这是任何动物都没有的技能(如图1所示)。


图1:橙子树可以通过其单个体细胞产生新的植株个体。

            再比如我们经常看到的一类叫落地生根的家养植物,它可以通过叶子边缘的体细胞逐渐发育为一个新的植株(如图2所示),这就像希腊智慧女神雅典娜从宙斯的头部生长出来一样。

 

图2:一类落地生根类植物通过叶子边缘的体细胞生长出植株。    

            在大约50年以前,科学家开始发现在实验室里可以通过诱导胡萝卜的体细胞就让其产生新的个体。随后,人们就开始利用这种被称为体细胞胚胎繁殖术成功繁殖出几十种种类的植物,包括咖啡、木兰、芒果以及玫瑰等。一个加拿大的公司甚至通过这种组织培养的方法种植出整个冷杉树的森林。但是像研究人员克隆动物一样,植物学家也对如何实际控制植物分化的过程知之甚少。对这些问题答案的寻找可能进一步阐明细胞在分化中如何固化自己的功能或为什么植物要设法保持细胞这种分化能力的灵活性。    

           其实科学家们并不知道植物的哪些细胞具有成为植物的胚胎细胞的能力。尽管早期的研究工作都假定植物的所有细胞都有成为胚胎细胞的灵活性,但近期的证据表明只有部分种类的细胞才可以分化为植物体的胚胎细胞。但是这些细胞分化前的组织结构和面貌依然是一个迷。科学家们利用植物胚胎培养的影像资料并没有发现明显可以标识出哪些细胞可以成长为胚胎的变化图案,而对特定基因表达进行图案染色的做法也不能给出确切的结果。    

          但研究人员已经发现有些分子参与到体细胞分化为胚胎细胞的一些线索。在实验室里,研究人员发现一种除草剂,2-4二氯苯氧基乙酸(是一种叫2-4D的除草剂),它可以促进细胞的伸长,让细胞形成新的细胞壁,并让其向植物胚胎细胞的方向分化。这种除草剂其实是一种人工合成的植物激素叫生长素,这种植物生长素可以用来控制植物对光、重力的生长反应以及植物果实的成熟过程。所以植物生长素可能对于植物自然的体细胞分化为胚胎细胞的过程起重要作用,比如对于那些通过叶子边缘顶端的细胞分化为整体植株的植物来说,这些地方往往有更高浓度的生长素存在。最近的研究工作还表明对拟南芥类植物某种基因的过度或欠表达也可以促进一些普通的叶细胞分化为植物的胚胎细胞。    

             对植物无性生殖的梳理有利于科学家们进一步理解植物为了保持生存的灵活性而保持了细胞的哪些分化能力,而这种细胞的分化能力又如何能被植物有效地加以控制(避免过度繁殖比如植物很少出现动物的癌症现象 )。发育生物学家们则热衷于这种细胞分化在植物和动物之间的比较研究,的确植物控制自己体细胞进行生殖的过程类似于动物细胞的克隆和动物肢体的再生过程。      

             当然在实际的层面上,科学家更喜欢将实验室发展的技术更多应用到需要通过授粉才能繁殖的农作物上,比如玉米。细胞分化胚胎的技术将更有利于加速新农作物的培育过程和新品种的杂交育种周期,而这才是农民和消费者都会感到高兴的事情。

–-GRETCHEN VOGEL



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