劍橋大學(xué)和波爾多大學(xué)的植物科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種基因，他們希望這種基因可以用來擴(kuò)大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)販運(yùn)瓶頸并可能提高作物產(chǎn)量。

世界各地的植物科學(xué)家正在制定一系列不同的戰(zhàn)略，以可持續(xù)地提高作物產(chǎn)量。提高植物如何在植物不同部位之間運(yùn)輸糖，蛋白質(zhì)和其他有機(jī)營(yíng)養(yǎng)素的效率是可能促成下一次綠色革命的方法之一。

了解影響工廠內(nèi)局部和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)囊蛩乜梢允怪参锷锛夹g(shù)專家在未來培育更多的生產(chǎn)性作物。最終，有可能將有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到收獲的植物的特定部分(種子，水果和儲(chǔ)存塊莖)。

劍橋大學(xué)塞恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室(SLCU)的YrjöHelariutta教授研究小組和波爾多大學(xué)/ CNRS大學(xué)的Emmanuelle Bayer博士團(tuán)隊(duì)通過發(fā)現(xiàn)韌皮部卸載調(diào)節(jié)劑(PLM)使這一目標(biāo)更近了一步，這是一種影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)販運(yùn)的新基因。改變連接相鄰植物細(xì)胞的通道，稱為plasmodesmata。這些納米級(jí)膜襯里通道穿過細(xì)胞壁屏障，將植物細(xì)胞連接在一起，實(shí)現(xiàn)基本物質(zhì)的轉(zhuǎn)移(見注釋)。

今天發(fā)表在“自然植物”雜志上的這項(xiàng)研究表明，發(fā)現(xiàn)缺失PLM基因的擬南芥突變體植物在其根部尖端從韌皮部(一種用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膶ｉT組織)中釋放出更多的物質(zhì)。使用熒光蛋白作為大分子的代理，科學(xué)家們可以看到PLM基因?qū)g皮部卸載量具有明顯的控制作用。為了找出基因是如何做到這一點(diǎn)的，他們研究了苗木根部不同細(xì)胞界面發(fā)生的情況。

來自劍橋Sainsbury實(shí)驗(yàn)室的主要作者，嚴(yán)大偉博士解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)變異PLM減輕了販運(yùn)瓶頸，這種瓶頸先前減少了營(yíng)養(yǎng)物從血管系統(tǒng)向根部快速生長(zhǎng)的組織的向外移動(dòng)。

PLM特別作用于韌皮部極周(PPP)和內(nèi)胚層細(xì)胞之間的界面，內(nèi)胚層細(xì)胞是卸載后物質(zhì)徑向運(yùn)動(dòng)的重要界面。去除PLM基因活動(dòng)可以使植物更快速有效地將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)叫枰牡胤健?ldquo;

由于卸載增加，突變植物的根長(zhǎng)得更快更長(zhǎng)。

進(jìn)一步的分子和遺傳學(xué)研究還表明，PLM參與鞘脂的生物合成，鞘脂是一類與植物發(fā)育和環(huán)境反應(yīng)相關(guān)的脂質(zhì)。雖然拜耳博士的團(tuán)隊(duì)之前已經(jīng)證明胞間連絲的膜富含鞘脂，但這是首次將鞘脂與胞間連絲功能聯(lián)系起來的研究。

下一步是確定PLM如何影響細(xì)胞間電導(dǎo)率。研究小組研究了PLM是否影響了胞間連絲密度 - 事實(shí)并非如此。研究小組還證實(shí)，PLM并未改變胼deposition質(zhì)積累，這是唯一眾所周知的胞間連絲通透性調(diào)節(jié)因子。

Helariutta集團(tuán)的第二作者和博士生Andrea Paterlini前往法國(guó)與拜耳博士合作，仔細(xì)研究PLM是否會(huì)影響胞間連絲結(jié)構(gòu)。他們使用電子斷層掃描技術(shù)創(chuàng)建納米級(jí)通道的3D地圖。

Paterlini說：“這使我們能夠檢測(cè)到胞間組織結(jié)構(gòu)的細(xì)微改變。我們?cè)趐lm突變體和野生型植物中發(fā)現(xiàn)了相同比例的簡(jiǎn)單和分枝胞間連絲。但是，沒有PLM的植物只有I型胞間連絲(參見注釋)，而不是通常發(fā)現(xiàn)的兩種類型。

“以前的模型假設(shè)細(xì)胞質(zhì)套管的大小(胞質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜中質(zhì)膜之間的間距)與運(yùn)輸能力正相關(guān)。我們的論文結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了挑戰(zhàn)，并表明I型胞間連絲，非常窄細(xì)胞質(zhì)套管，實(shí)際上比II型胞間連絲更具傳導(dǎo)性，它具有開放的細(xì)胞質(zhì)套管。“

Helariutta教授說：“基因功能(脂質(zhì)生物合成)與胞間連絲超微結(jié)構(gòu)改變之間的相關(guān)性很可能是由于胞間連接組織中質(zhì)膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分離的結(jié)果缺陷造成的：結(jié)果在具有突變的PLM基因的植物中缺乏可見的細(xì)胞質(zhì)套管的大多數(shù)胞間連絲中。

“對(duì)于未來的研究仍有許多新的問題需要回答，例如，缺乏細(xì)胞質(zhì)套管的胞間連絲如何以及為何具有較高的運(yùn)輸率以及鞘脂的代謝如何與PLM的功能機(jī)械相關(guān)。

“然而，這項(xiàng)研究提高了我們對(duì)調(diào)節(jié)植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)移因子的認(rèn)識(shí)。迫切需要開發(fā)具有提高營(yíng)養(yǎng)效率的作物，既減少肥料的使用，又增加作物的產(chǎn)量。我們最終可能使用有關(guān)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男畔?，可以更有效地分配各種器官之間的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并將莖葉中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)直接輸送到水果和貯藏器官。“

背景

Plasmodesmata：細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)通道

Plasmodesmata是納米級(jí)膜襯里通道，其穿過細(xì)胞壁屏障以將植物細(xì)胞連接在一起并且基本物質(zhì)可以通過所述通道傳播。通過胞間連絲的細(xì)胞到細(xì)胞的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物和信號(hào)的運(yùn)輸在植物生長(zhǎng)和發(fā)育以及疾病和抗逆性中起重要作用。

結(jié)構(gòu)體

在新細(xì)胞中形成的原代胞間連絲是窄的單通道結(jié)構(gòu)，而在較老的組織中形成的二級(jí)胞間連絲傾向于更寬的分支結(jié)構(gòu)。然而，胞間連絲不是簡(jiǎn)單的孔 - 它們是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，根據(jù)尺寸排除原則控制分子能夠或不能在細(xì)胞之間傳遞。它們由質(zhì)膜(PM)襯里，并含有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)膜的管狀鏈。這兩種膜之間的間隙稱為細(xì)胞質(zhì)套管。以前的模型假設(shè)ER和PM之間的間距與滲透率之間存在直接聯(lián)系，較大的間隙更具導(dǎo)電性。

類型

Nicolas等人在2017年提出了一種基于ER和PM之間距離描述胞間連絲的新分類系統(tǒng).I型胞間連絲呈現(xiàn)出這種緊密相連的膜，兩者之間沒有可見的細(xì)胞質(zhì)空間(窄袖)。相反，II型胞間連絲具有明顯的ER-PM間隙(開套)。盡管沒有袖子(被認(rèn)為是傳統(tǒng)模型中的運(yùn)輸路線)，但I(xiàn)型被證明允許分子通過。這項(xiàng)最新研究不僅支持這一點(diǎn)，而且還表明I型胞間連絲比II型更具傳導(dǎo)性。