你該發(fā)芽了！種子有感而“發(fā)”的秘密
撰文 | 周煒（浙江大學(xué)）
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美國(guó)作家梭羅說(shuō)過(guò)：只要你有一粒種子，我就準(zhǔn)備看到奇跡。2019年1月初，一粒棉花的種子創(chuàng)造了奇跡，登錄月球背面的月球車(chē)上，它倔強(qiáng)地萌發(fā)了，成為第一種在外星球成功萌發(fā)的植物。
種子是如何感知環(huán)境然后發(fā)芽的？最近，浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院張?zhí)煺娼淌谡n題組在棉花中找到一個(gè)小分子“開(kāi)關(guān)”HSP24.7，它能直接感知環(huán)境溫度并調(diào)控種子的萌發(fā)。如果缺少這個(gè)蛋白，即使周?chē)鷾嘏挽悖藁ㄈ韵裰蒙碛诘蜏?，繼續(xù)“沉睡”。
相關(guān)論文今年2月在PNAS雜志發(fā)表，學(xué)界認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)為人類(lèi)認(rèn)識(shí)植物溫度響應(yīng)的分子機(jī)制掀開(kāi)了一角，在作物種子生產(chǎn)、保存和育種中都具有重要的應(yīng)用意義。
“搶跑”的種子們
論文共同第一作者，馬衛(wèi)博士是在一次偶然中發(fā)現(xiàn)研究線索的。那時(shí)，他正在做一組棉花種子的耐逆實(shí)驗(yàn)。
棉花種子是世界上最有“耐力”的選手之一。作為起源于非洲和中美洲的熱帶植物，經(jīng)過(guò)數(shù)千年的演化，棉花的足跡已經(jīng)遍布亞洲、南美洲、北美洲等地。當(dāng)年哥倫布在加勒比海地區(qū)遇到棉花的時(shí)候，他理所當(dāng)然的認(rèn)為這是到達(dá)亞洲海岸的另一證據(jù)；達(dá)爾文隨英國(guó)皇家海軍艦艇貝格爾號(hào)考察達(dá)加拉帕戈斯群島，也帶回了野生的棉花標(biāo)本?？茖W(xué)家因此推測(cè)，棉花種子具有“隨風(fēng)飄動(dòng)，隨波逐流”的本領(lǐng)，讓棉花實(shí)現(xiàn)了跨越大洋的全球傳播。
“棉花耐寒、耐鹽、耐旱，才使長(zhǎng)途水陸‘旅行’得以可能?！惫餐髡咧?，浙大“百人計(jì)劃”學(xué)者關(guān)雪瑩說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室試圖尋找與棉花耐力相關(guān)的基因，以用于作物精準(zhǔn)育種。而在實(shí)驗(yàn)中，馬衛(wèi)博士驚奇地發(fā)現(xiàn)，一批棉花種子明顯“搶跑”了：正常情況下，棉花種子在吸足水分后24小時(shí)開(kāi)始萌發(fā)，但是其中一組的時(shí)間量幾乎提前了一半，在12小時(shí)的時(shí)候就陸續(xù)萌發(fā)了。
“這現(xiàn)象漂亮得讓人不敢相信?！标P(guān)雪瑩說(shuō)，為了消除“習(xí)慣性懷疑”，科學(xué)家請(qǐng)另一位研究生重新做了一組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示 “搶跑”現(xiàn)象依然顯著。是什么導(dǎo)致了種子“搶跑”？課題組決定重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，去尋找控制種子萌發(fā)的“發(fā)令槍”。
“扳道工”HSP24.7
眾所周知，溫度、光照、水分是決定植物種子萌發(fā)的重要外因，但是，這些外因如何被植物感知，并啟動(dòng)一系列體內(nèi)反應(yīng)，相關(guān)的分子機(jī)制依然模糊，激發(fā)著許多科學(xué)家的好奇心。
通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，課題組發(fā)現(xiàn)“搶跑”的種子們確實(shí)不一樣。它們體內(nèi)一個(gè)小分子熱激蛋白（small heat shock protein）HSP24.7的含量特別高。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家調(diào)整HSP24.7的表達(dá)量，仿佛就能調(diào)控種子對(duì)環(huán)境溫度的感應(yīng)。抑制棉花的HSP24.7表達(dá)，即使溫度適宜，種子也萌發(fā)緩慢，仿佛一直處于低溫環(huán)境。如果HSP24.7的活躍表達(dá)，棉花種子則迅速萌發(fā)，在低溫時(shí)也可以迅速完成。“它可能是植物的溫度感受器，”關(guān)雪瑩說(shuō)。
“我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，HSP24.7是通過(guò)調(diào)控線粒體的活性完成溫度響應(yīng)的?！睆?zhí)煺嬲f(shuō)。HSP24.7含量升高，能讓線粒體產(chǎn)生更多活性氧，加速種子萌發(fā)。
GhHSP24.7 通過(guò)感知溫度調(diào)控種子萌發(fā)的分子機(jī)制模式圖
實(shí)驗(yàn)室向雜志社遞交他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一位審稿人提出了疑問(wèn)：我們知道，活性氧過(guò)量可能會(huì)損害植物健康，“HSP24.7含量升高會(huì)導(dǎo)致活性氧過(guò)量嗎？”
課題組的另一組實(shí)驗(yàn)解開(kāi)了這一疑問(wèn)，“HSP24.7是一個(gè)聰明的‘扳道工’?！标P(guān)雪瑩說(shuō)。實(shí)驗(yàn)顯示，在種子萌發(fā)的三個(gè)小時(shí)之后，HSP24.7會(huì)誘導(dǎo)另外一條途徑讓活性氧迅速衰減，同時(shí)保證線粒體高效持續(xù)提供能源?！盎钚匝踔辉陉P(guān)鍵的時(shí)候大量出現(xiàn)，完成使命后，就迅速消失了?！?/p>
分鏡頭慢放：種子萌芽過(guò)幾道門(mén)？
種子萌發(fā)有一個(gè)“破殼而出”的過(guò)程，種皮破裂，胚芽萌出。馬衛(wèi)解剖了出于不同萌發(fā)時(shí)期的棉花種子，試圖“分鏡頭”解析種子萌發(fā)的全過(guò)程。他發(fā)現(xiàn)了另一“暗門(mén)”——胚乳膜。
胚乳膜位于種皮的內(nèi)層，包裹在胚芽之外，是胚乳的營(yíng)養(yǎng)被吸收后留下的殘余。它很不起眼，最厚的地方有10層細(xì)胞，而最薄的地方只有2層細(xì)胞。但馬衛(wèi)發(fā)現(xiàn)，胚乳膜其實(shí)是種子萌發(fā)的關(guān)鍵的機(jī)械束縛?！癏SP24.7控制的種子萌發(fā)速度快慢，并不是胚的活力差異造成的，而是胚乳膜的強(qiáng)度。”
一組力學(xué)實(shí)驗(yàn)幫助課題組更加清楚的了解其中的機(jī)制。課題組用一根針去探測(cè)不同萌發(fā)時(shí)期的胚乳膜的強(qiáng)度，數(shù)據(jù)顯示，萌發(fā)之后的胚乳膜強(qiáng)度明顯下降了。
至此，植物感受溫度并控制種子萌發(fā)速度的機(jī)制終于有了一個(gè)清晰的途徑：HSP24.7感受到適宜的溫度時(shí)大量表達(dá)，適度抑制線粒體活性，釋放活性氧，促成了胚乳膜內(nèi)關(guān)鍵組分的降解，胚乳膜強(qiáng)度減小，種子順利萌發(fā)。“我們還在擬南芥和番茄種子中做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制在雙子葉植物中是普遍適用的?！睆?zhí)煺嬲f(shuō)。
如何贏在“起跑線”
種子萌發(fā)是植物生命周期開(kāi)始的第一步。作為人類(lèi)最為重要的農(nóng)作物之一，人們希望田里的棉花們能“統(tǒng)一步調(diào)”，而不是各有節(jié)奏，這樣才能高效地實(shí)現(xiàn)同步采收，這也是農(nóng)作物精準(zhǔn)育種的目標(biāo)之一?！爱?dāng)我們知道植物感知溫度的分子機(jī)制，可以更好得用于棉花的育種。”張?zhí)煺嬲f(shuō)。
我國(guó)是棉花種植大國(guó)，全國(guó)70%的棉花產(chǎn)量來(lái)自于新疆，對(duì)于種子溫度響應(yīng)的機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，將進(jìn)一步指導(dǎo)人們?cè)鯓釉诘蜏?、干旱、鹽堿地種出更好的棉花。
論文鏈接
https://www.pnas.org/content/early/2019/02/13/1815790116
