鳥兒做到了。蜜蜂做到了。植物也這樣做。并且有充分的理由：有性生殖已經(jīng)演變成大自然的方式來改變卡的基因組，可以這么說。這種改組實際上是在生物制造性細(xì)胞(精子和卵子)之前開始的。在這個過程中，稱為減數(shù)分裂，匹配從生物體的母親和父親交換切片遺傳的染色體，產(chǎn)生與父母任一基因不同的細(xì)胞。這種遺傳重新調(diào)整產(chǎn)生了各種各樣的特征組合，可以為后代“贏得”，使他們具有競爭優(yōu)勢。
然而，與動物相比，植物進(jìn)入這種減數(shù)分裂改組的方式知之甚少。作為胚胎，動物將所謂的細(xì)胞系用于未來的減數(shù)分裂，但是植物會延遲招募細(xì)胞直到發(fā)育很晚，即使這樣，它們也會將這項工作分配給每朵花內(nèi)的少數(shù)細(xì)胞。
現(xiàn)在，在一項新的研究中，斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)構(gòu)建了玉米或玉米細(xì)胞的細(xì)胞時間線，這些細(xì)胞經(jīng)歷了減數(shù)分裂過渡。“我們采用了一種新的方法，以前所未有的方式研究玉米的主要生命周期轉(zhuǎn)變，使我們能夠在這種轉(zhuǎn)變過程中發(fā)現(xiàn)階段，”弗吉尼亞州沃爾博特實驗室的博士后研究員布拉德·尼爾姆斯說。斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院生物學(xué)教授，并與她一起研究這項研究。
發(fā)表在4月5日出版的“科學(xué)”雜志上的研究結(jié)果顯示，玉米減數(shù)分裂的途徑隨著基因的開啟而順利進(jìn)行，然后在最早的減數(shù)分裂期間被活躍的兩次急劇跳躍所打斷。更一般地說，結(jié)果還證明了如何通過帶來新穎的工具，在舊的，先前檢查過的生物過程(例如減數(shù)分裂)上放棄新的光。這種方法的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了植物生命的范疇。
“減數(shù)分裂主要通過關(guān)注染色體結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行檢查，”Nelms說。“我們通過基因表達(dá)來觀察減數(shù)分裂，發(fā)現(xiàn)這提供了補(bǔ)充信息。”
沃爾博特補(bǔ)充說：“我們的論文中有一點是，在減數(shù)分裂過程中觀察細(xì)胞生理學(xué)的不同方面是有價值的 - 用一種方法檢測不到的變化可能與另一種方法很明顯。這一發(fā)現(xiàn)在其他生物體中可能是正確的，包括人類。”
玉米出現(xiàn)并繁殖
Nelms和Walbot開始他們的研究，收集在斯坦福大學(xué)校園溫室里種植的玉米。研究人員隨后分離出微小的管狀器官(稱為花藥)，其中通過減數(shù)分裂產(chǎn)生的孢子最終發(fā)育成花粉。
在一周的時間里，研究人員跟蹤了收集的生殖細(xì)胞的發(fā)育情況，因為他們準(zhǔn)備進(jìn)行減數(shù)分裂。使用稱為單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)的技術(shù)捕獲遺傳視角下的細(xì)胞質(zhì)細(xì)節(jié)。RNA是DNA中基因和基于遺傳藍(lán)圖構(gòu)建蛋白質(zhì)的細(xì)胞工廠之間的分子信使。scRNA-seq捕獲細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的所有信使RNA的快照，以及它們在一個時刻的相對濃度。通過將同一細(xì)胞的不同快照拼接在一起，科學(xué)家們可以生成詳細(xì)的時間線，顯示不同蛋白質(zhì)在細(xì)胞過程中如何打開和關(guān)閉 - 在這種情況下是減數(shù)分裂。此外，具有相似遺傳身份的細(xì)胞可以組合在一起并隨時間跟蹤。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，最顯著的變化發(fā)生在細(xì)胞完成減數(shù)分裂的準(zhǔn)備工作并開始進(jìn)入其最早階段。在兩個時間點，大約四分之一表達(dá)最多的基因在其活動水平上改變了兩倍或更多。研究人員推測，基因表達(dá)的雙重跳躍與減數(shù)分裂過程中染色體結(jié)構(gòu)的變化以及細(xì)胞分化程度較大有關(guān)，因為細(xì)胞為后來的花粉發(fā)育做好了準(zhǔn)備。
為了更多地了解這些跳躍，Nelms和Walbot還研究了玉米突變體的減數(shù)分裂。在一個突變菌株中，生殖細(xì)胞周圍的非繁殖細(xì)胞不能成熟。在另一個突變體中，生殖細(xì)胞通過減數(shù)分裂的進(jìn)展脫軌。然而，在這兩種情況下，基因活動中新發(fā)現(xiàn)的障礙仍在發(fā)生。這表明觀察到的尖峰不需要來自相鄰細(xì)胞的信號，并且即使其余的減數(shù)分裂失敗，性細(xì)胞仍然執(zhí)行其硬連線發(fā)育計劃。
“我們是第一個記錄玉米減數(shù)分裂期間基因表達(dá)的雙重增加，但它們也可能在其他生物體中發(fā)生，”沃爾博特說。
對植物，動物和我們的影響
該研究為在植物花粉發(fā)育過程中跟蹤早期事件提供了路線圖。更好地處理減數(shù)分裂開始也可以幫助植物育種者更好地混合和匹配遺傳組合，以創(chuàng)造具有理想特性的新作物。減數(shù)分裂過程中的遺傳重排是低效的;在染色體之間確實發(fā)生的少數(shù)交換通常是一種粗糙的變種，涉及大量移動的鄰近基因塊。“想象一下打牌并削減牌組而不是在比賽之間進(jìn)行改組 - 每場比賽都會有點類似于上一局，”Nelms說。
關(guān)注植物細(xì)胞如何適應(yīng)的細(xì)節(jié)，然后進(jìn)行減數(shù)分裂，可以指出如何將尺度傾向于更多的基因重組 - 或者相反。除了混合特性外，育種者還面臨著固定特征的逆向挑戰(zhàn);也就是說，確保他們的未來作物繼承。期望性狀的實例包括提高產(chǎn)量的干旱和抗病性，或更高的營養(yǎng)價值。
“更好地了解減數(shù)分裂可能會提供消除基因重組的方法，”沃爾博特說。“在這個過程中，植物產(chǎn)生與親本植物相同的種子，將有利特性的組合傳遞給所有后代并使我們的消費者受益。”