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植物如何测量时间和传递信息? 精选

已有 9886 次阅读 2014-11-20 19:59 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|关键词:生物种,植物| 植物, 生物种

生物钟是生物体内的一种无形的“时钟”,体现了生物体生命活动的内在节律性。最明显的生物钟就是,许多生物依靠它来适应昼夜和季节环境变化。哺乳动物生物钟利用视交叉上核中的中枢生物钟,与神经元紧密耦合在一起,并同外围组织保持同步。例如,在哺乳动物中,大脑下丘脑区域一个耦合时钟可调节其他组织的时钟。人们很早就发现,植物也有生物钟,但一般认为植物生物钟功能是独立行使作用,相互之间并不存在什么耦合关系。多细胞生物的一个共同特点,就是相邻细胞的生物钟可以互相沟通,形成细胞同步组,还可以建立强大的振荡系统(oscillating system),将时间信息传递给远处的器官。少数研究显示,植物中的一些细胞具有微弱的局部耦合,植物中也观察到各生物钟之间的微弱通信,比如叶片中的生物钟控制着根的生物钟。

植物开出漂亮的花朵,这对我们来说是再熟悉不过的现象了,但是开花植物这个简单的现象其实有非常复杂的行为,比如植物如何测量时间,并在合适的时间开花,对于没有神经系统的植物来说,它们是如何协调各植物组织共同参与来完成这个复杂的过程的呢?

那么,植物维管结构是互联系统吗,会产生强大的振荡来调节其他细胞,类似于哺乳动物脑的昼夜节律启动器吗?或者它的功能可能作为一个管道传播时间信号,类似于动物红细胞的生物钟?当然,维管结构不只是一套复杂的管道,其作用是电子,氧化作用和离子信号的快速管道,这会让人联想到动物的神经系统。然而,如果简单将这种现象与哺乳动物相类比,会阻碍我们的思考。因为植物与动物在这方面太不相同了,植物不能运动,其姿态变化通常是由生长来控制的,这也太慢了,配一个类似动物那样的能快速反应的神经系统实在是浪费!

对于动物生物种的研究来说,由于有神经系统,许多问题相对容易解决,而植物则是通过组织间的信息传递来实现这种交流的,然而由于植物的组织紧密地组合在一起,要区分不同植物组织之间的功能反应,显然不是一件非常容易的事儿。植物叶片是由不同类型细胞所组成的复杂器官,每种细胞都有各自不同的功能。表皮细胞排列在叶的表面,下面就是大量叶肉细胞负责光合作用。此外,叶和茎通过维管系统连接起来,运送水和一些小分子如糖类。今天发表在Nature上的一篇文章[1],就通过采用一些新技术,对拟南芥叶片组织进行全面分离,并进行组织特异性分析,来分析植物生物钟的信息传递。该文开发了一种有效的方法,可在30分钟内分离叶片中三种细胞(表皮细胞,叶肉细胞和维管细胞)的高时空分辨率技术。在显微镜下观察,分离的组织是高度纯化的(图1)。通过结合分离、降解细胞壁的超声处理和酶处理,可以大大缩短为测量RNA分离细胞所需的时间。研究人员还开发了研究植物中时空基因调节的成像技术。他们将冷光蛋白荧光素酶分成两半,一半是只在特定的细胞类型中产生,而另一半只有当驱动CCA1TOC1基因表达的启动子激活时产生。因为两者都必须在一个细胞中发光时产生,光的发射可作为对给定细胞类型昼夜节律基因活性的度量。这种方法可以扩展到其他细胞类型和反应,如应激和发育信号,通过使用不同的启动子驱动荧光素酶的两半。显然,这种技术有助于发现植物维管生物钟与邻近细胞的通讯和调节,可以研究基因表达和高时空分辨率下的昼夜节律调控。结果表明,维管系统与叶肉生物钟之间可进行不对称的相互调节。维管系统的生物钟与其他组织不同,具有很强的周期性,不受环境变化的调节,并影响其他组织的生物钟调节。

1 从子叶中直接分离组织的技术

2 a) 叶由表皮细胞,叶肉细胞和构成维管系统的细胞组成。b) 调节维管组织和叶肉组织中的生物钟有所不同。维管组织中,黑夜环路基因如TOC1比白昼环路基因如CCA1更活跃(白色箭头表示环路),因此维管系统在夜间比上午有更大的整体基因活性(用黄色箭头表示),而这种情况在叶肉组织正好是相反的。维管系统时钟与叶肉组织时钟进行通讯和调节,但还没有证据表明叶肉组织可以调节维管系统,这可能是一种分级控制。

多细胞生物通过它们的生物钟调节,保证细胞在适当的时间执行正确的过程,周期为24小时。植物中基因活动的时间约30%是由生物钟调节的。一个时钟核心由20个左右的基因组成,分为两个连锁途径:在白天白昼环路(morning loop)出现活性,而黄昏后黑夜环路(evening loop)则开始活动。研究人员发现,白昼环路如CCA1在叶肉细胞比在维管细胞中更活跃,而黑夜环路基因如TOC1则相反。此外,当测量全基因组基因的活动时,他们发现了每个组织中基因表达的差异。叶肉细胞更活跃的输出基因(通过生物钟调节)倾向于在上午表达,而在维管系统中更活跃的输出基因则倾向于在夜间表达。这说明,各组织中生物钟的差异导致了不同的基因表达(图2)。

有证据显示,叶片生物钟与根生物钟是有差异的,这说明特定类型的细胞时钟调节特定植物细胞的功能。白天特定叶肉细胞的基因活性可能反映了黎明开始时对光合作用的需求。可能需要维管系统中增强的黑夜环路活性来保证对黄昏的确定,还有一天的时长,这在许多物种中会控制花朵的产量。事实上,如果维管系统中的时钟遭到破坏,但叶肉、表皮、茎或根中并没有破坏,会影响拟南芥花朵的产生。维管时钟可能调节特定导管的夜间活动,如填充导管去除气泡。

该研究还提供了植物中时钟系统局部耦合的实验证据。研究人员在维管系统细胞中通过过度表达CCA1而停止了维管时钟,也抑制了相邻叶肉细胞的时钟。这可能是通过化学信号来实现的,比如可能涉及到糖类物质,因为叶细胞时钟对糖浓度的变化是非常敏感的。

维管系统和叶肉细胞间生物钟的通信可能是分级控制的。叶肉细胞中CCA1的过表达对维管生物钟的影响不大,因为这两种类型细胞的时钟在白天和黑夜有不同的富集,所以,如果TOC1以特定类型的细胞方式过表达,确定是否会有来自维管系统的信号发生是非常有意思的。

详细研究各叶片细胞类型的能力,必将导致对基因活性、发育和光合作用昼夜规律认识的加深。第一步将决定为什么叶片生物钟要通讯,何种信号通路传达有关时间的信息。如果要提高庄稼产量来养活日益增长的人口所面临的挑战,这样的知识是非常需要的。

 

 参考资料

[1] Motomu Endo et al., 2014. Tissue-specific clocks in Arabidopsis show asymmetric coupling. Nature, 515, 419-422.

[2] Maria C. Marti & Alex A . R . Webb, 2014. Leaf veins share the time of day.Nature, 515, 353-354.




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