土生土长，他们Cell发文揭示植物自救新机制

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2023-08-03 12:23:23 来源：中国科学报

7月28日晚，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）一个主创“清一色国产”的科研团队在生物学顶刊《细胞》发文，回答了一个百余年来遗留的生物学问题——植物受精失败后，如何“自救”以确保繁衍。

新研究论文通讯作者李红菊师从中国科学院院士、遗传发育所研究员杨维才，成为一名独立PI刚半年。4名论文一作也均是土生土长，其中一名博士后一作孟姜果将入职国内某大学的教授职位。

(资料图片)

“国内的植物学研究在国际上已经处于领先水平，我们也可以培养出世界一流的人才，做出一流的成果。”杨维才在接受《中国科学报》采访时说。

“暗度陈仓” 植物自救

繁衍，是植物生存的终极目标。开花植物，或被子植物，是植物界的最大家族，它们适应性地演化出一整套环环相扣、精巧绝伦的信号机制以确保受精和结实，同时也为人类提供了赖以生存的重要“口粮”。

被子植物有着独特的双受精生殖模式，大部分被子植物的胚珠里含有四类细胞：两个助细胞、一个卵细胞、一个中央细胞和三个反足细胞。花粉管携带的一个精子细胞会与卵细胞融合形成受精卵，另一个精子细胞与中央细胞融合形成胚乳，胚乳会滋养受精卵，它们被包裹在种皮内，随着果实一起发育成熟。

早在1904年，科学家就发现，植物在受精失败后，胚珠会吸引额外的花粉管运送来新的精细胞，实现“自救”。但这个过程是如何发生的，百余年来一直悬而未解。

得益于过去二十年植物分子生物学的迅速发展，科学家发现，助细胞在其中发挥着关键作用。当花粉落在柱头上形成花粉管后，助细胞会分泌信号吸引花粉管，与花粉管形成一对一的连接。随后，助细胞凋亡，花粉管定点爆裂，将两个精子释放到胚珠。

“这意味着，当两个助细胞发生都发生突变缺失功能时，这个精密运行的信号机制在理论上就会‘罢工’，不再繁衍果实。”李红菊向《中国科学报》解释。

然而，自然界中一些植物，如白花丹、鸡娃草等，没有助细胞，却依然能够受精结籽。李红菊和团队通过生物技术在实验室清除拟南芥胚珠的助细胞后，发现它们也依然可以实现受精。

这些植物究竟如何“暗度陈仓”恢复受精？通过四年的研究，李红菊团队发现，秘密藏在中央细胞里。

抽丝剥茧找到源头

作为形成胚乳的前体细胞，中央细胞的功能机制一直是植物有性生殖领域研究的热点和难点。2007年，杨维才院士团队就发现，中央细胞也参与吸引花粉管，但是否能直接吸引花粉管并不知晓。

为了了解这些基因潜在的作用，李红菊带领团队对中央细胞进行了“抽丝剥茧”的研究，他们从中提取了97种候选小肽分子，将其在植物体外做成“凝胶珠”，并用每一种凝胶珠一个个做花粉管吸引测试。结果发现，有两个小肽SAL1和SAL2具有较强花粉管吸引能力。

植物体内的实验表明，当助细胞发生缺陷，或在被突变的花粉管破坏掉时，SAL1/2可以定向分泌到胚珠珠孔，到达株孔外的株柄，直接结合到花粉管的质膜上，引导花粉管到达胚囊。研究团队对拟南芥的近缘物种琴叶拟南芥也开展了类似研究，得到了同样的结论。

“这些说明中央细胞通过分泌SAL1/2，可以直接参与植物的受精补偿机制，而且这种植物受精补偿的机制在自然界可能是一种普遍的机制。”孟姜果说，这一研究为了解一些助细胞缺失的植物的存活和繁衍提供了演化线索。

国际审稿人认为，这项研究发现了一个意料之外的中央细胞的功能，这一候补机制对于依赖动物授粉的植物物种尤其重要。

“土生土长”的一流成果

近年来，越来越多土生土长的青年科学家在顶刊发表一流科研成果，越来越多的本土培养的科学家可以在高校得到较好的任职机会，李红菊认为，这得益于我国近年来整体科研水平的提升。

李红菊告诉记者，遗传发育所一直定位于世界一流科研机构，研究员岗位的“新鲜血液”大都是从国外引进的学者。经过不断地发展，遗传发育所以及整个国内的植物科学研究水平水涨船高，开始有本土博士加入遗传发育所PI队伍，继续开展科学研究，李红菊博士当时就是其中一员。

2017年，遗传发育所还实施了青年研究员培养计划，这是本土青年学者成长为独立PI的一个通道。李红菊经过申请和考核，参加了这一计划；今年1月，她经过5年磨砺通过国际评估后成为一名独立的PI。

孟姜果也是遗传发育所培养的一名博士，过去几年，他已经在《自然—植物》、《自然—通讯》等刊物上发表了一系列优质研究成果。目前，博士后第二年的他已经收到国内多个高校“直升教授”的岗位。

“做研究关键是要有好的想法和执行力。”孟姜果说，这是过去几年他得到的最大锻炼。对于下一步的科研生涯，他充满期待。

自然界丢掉助细胞的植物白花丹。

自然界丢失助细胞的物种蓝雪花。

自然界丢失助细胞的物种黛萼花。

李红菊团队成员合影以上图片均由受访者供图

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.06.024

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