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2025年4月28日 理化研究所 負(fù)責(zé)植物肥大生長的形成層干細(xì)胞特征明顯-發(fā)現(xiàn)植物激素三內(nèi)酯的新功能- 理化學(xué)研究所(理研)環(huán)境資源科學(xué)研究中心形成層干細(xì)胞系統(tǒng)理研ECL研究單元的石東博理研ECL研究單元組長(開拓研究所石形成層干細(xì)胞系統(tǒng)理研ECL研究單元理研ECL研究單元組長)等人的國際聯(lián)合研究組是，植物激素[1]是的一種草莓內(nèi)酯[2]是水的通道道管[3]發(fā)現(xiàn)控制的形成。 本研究成果表明，植物的形成層[4]在加深對是如何形成道管并逐漸肥大的理解的同時，期待著對抗旱性強的農(nóng)作物的創(chuàng)造做出貢獻(xiàn)。 這次，國際共同研究小組，擬南芥屬[5]使用，在形成層中肥大生長[4]成功地在一個細(xì)胞水平上揭示了過程中基因表達(dá)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)形成層干細(xì)胞具有特異性的基因表達(dá)模式。 另外，發(fā)現(xiàn)了草莓內(nèi)酯的信號在肥大生長過程中發(fā)生變化，實際上草莓內(nèi)酯的信號控制了道管的形成，另外，道管的數(shù)量也有助于植物的抗旱性。 本研究根據(jù)科學(xué)雜志《美國航空公司》刊登在了在線版( 4月28日:日本時間4月28日)上。 背景陸地植物繁榮的原因之一是通過形成層獲得了肥大生長(二次生長)。 細(xì)胞在形成層中大量分裂，產(chǎn)生了新的木部[3]や篩部[3]通過形成等運輸組織，植物體可以成長得更大，并且通過像樹木的樹干等那樣變粗，對巨大化的植物體進(jìn)行力學(xué)上的支撐。 另外，由形成層制成的木部，占生物量的大部分，因此也與我們的生活密切相關(guān)。 石理研ECL研究單元組長等人在2019年證實，在其形成層中，存在著由一個細(xì)胞同時生成木部和篩部的形成層干細(xì)胞注1 )。 形成層干細(xì)胞實際上同時發(fā)揮著很多作用，所以由什么樣的機構(gòu)控制，在生物學(xué)上是個非常有趣的論點。 但是，由于形成層干細(xì)胞在細(xì)胞壁上與鄰近的細(xì)胞結(jié)合，僅取出形成層干細(xì)胞進(jìn)行分析很困難，因此對其的理解較遲。
研究方法和成果國際聯(lián)合研究小組通過改良核提取法等，提取其細(xì)胞核而不是整個植物細(xì)胞來克服其困難，從植物組織中高效提取單細(xì)胞核分析[6]開發(fā)了進(jìn)行的方法，成功抓住了形成層干細(xì)胞的特征。 “核提取”是自古以來用于植物研究的簡便方法，只需用刀具切碎植物的組織即可。 但由于近年來技術(shù)的發(fā)展，即使只有一個核，其中的成分(mRNA[7])的單細(xì)胞核分析成為可能。 因此，利用正在肥大生長的擬南芥進(jìn)行了一細(xì)胞核分析，分析了各核中的mRNA后，成功制作了如圖1所示的由mRNA構(gòu)成的植物細(xì)胞的圖譜。 在這張插圖中，植物細(xì)胞內(nèi)的mRNA的差異一目了然，在各種各樣的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了具有特征性mRNA構(gòu)成的形成層干細(xì)胞。 另外，還捕捉了從形成層干細(xì)胞變化(分化)為各種類型的細(xì)胞的過程。 圖1一細(xì)胞核分析表明擬南芥胚軸的細(xì)胞圖譜 一個點代表一個分離的植物核，根據(jù)核內(nèi)mRNA的組成成分可以劃分成各種類型(顏色)，一目了然植物細(xì)胞內(nèi)mRNA的不同。 根據(jù)形成層干細(xì)胞和分化后的各細(xì)胞種的mRNA構(gòu)成，可以預(yù)想到草莓內(nèi)酯信號( SL )活性的差異(活性高:↑、低:↓)，并在實驗上也得到了證實。 進(jìn)一步進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)形成層干細(xì)胞制造的細(xì)胞的種類不同，草莓內(nèi)酯的作用也會發(fā)生變化(圖1 )。 研究還表明，草莓內(nèi)酯的信號控制道管的形成(圖2 )。 圖2普通擬南芥(左)與草莓內(nèi)酯( SL )信號突變體(右)胚軸截面的比較 研究表明，操作草莓內(nèi)酯( SL )信號后，用紅色表示的道管數(shù)量也會發(fā)生變化。 SL為“off”時與“on”時相比，道管的數(shù)量更多。 眾所周知，一旦草莓內(nèi)酯的作用發(fā)生變化，植物的抗旱性就會發(fā)生變化。 以前認(rèn)為，隨著水蒸發(fā)的氣孔數(shù)量和開閉功能的變化，耐干燥性也會發(fā)生變化注2 )。 從這次研究中新的各種實驗結(jié)果來看，國際共同研究小組發(fā)現(xiàn)，除了氣孔之外，道管的數(shù)量也是決定植物抗旱性的新因素之一。
今后的期待以形成層干細(xì)胞為首的各個細(xì)胞種類所具有的特征性mRNA的構(gòu)成得以明確，從而可以期待植物肥大生長機制的研究加速。 另外，通過控制草莓內(nèi)酯的活性，植物的抗旱性會發(fā)生變化，因此可以期待對環(huán)境變化做出有力的農(nóng)作物貢獻(xiàn)。 本研究成果符合聯(lián)合國制定的17個目標(biāo)“可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)( SDGs )[8]”中，與“2 .杜絕饑餓”“13 .對氣候變化采取具體對策”“15 .保護(hù)陸地的豐富性”的貢獻(xiàn)息息相關(guān)。 補充說明
國際聯(lián)合研究組理化研究所 環(huán)境資源科學(xué)研究中心形成層干細(xì)胞系統(tǒng)理研ECL研究單元 理研ECL研究單元組長石東博(西頓博奧) (開拓研究所石形成層干細(xì)胞系統(tǒng)理研ECL研究單元理研ECL研究單元組長) 海德堡大學(xué)(德國)生命研究中心 教授托馬斯·格雷布( Thomas Greb ) 博士研究員朱照( jiao jape ) 研究生基拉·考伊法( Kiara Kaeufer ) 其他三名 波茨坦大學(xué)(德國)生化生物學(xué)研究所 石集團(研究當(dāng)時) 研究生惠察沃 大學(xué)生(研究當(dāng)時)里努斯·拉森( Linus Lassen ) 洪堡大學(xué)柏林(德國)生物學(xué)研究所 植物細(xì)胞分子生物學(xué)部門 教授凱斯廷·考夫曼( Kerstin Kaufmann ) 大學(xué)生(研究時)小蔡旭 德國馬克斯·普朗克分子植物生理學(xué)研究所 基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)部門 成像專家濱村有希(濱村有希) 研究支援本研究是科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造·研究推進(jìn)事業(yè)(先驅(qū))“多細(xì)胞系統(tǒng)中的細(xì)胞間相互作用及其動力學(xué)(研究總結(jié):高橋淑子)”的研究課題“支撐持續(xù)成長的形成層干細(xì)胞的動態(tài)和細(xì)胞間相互作用(研究者:石東博)”，德國研究振興協(xié)會(研究機構(gòu)) 此外，石東博還得到了日本學(xué)術(shù)振興會海外特別研究員制度的支援，重洋得到了中國獎學(xué)金評議會( CSC )的支援，基拉·考伊法得到了德國巴登·符騰堡州的支援。 原論文信息Kiara Kaeufer，Dominik Both，Anna Lea Thier，Hui Cao，Linus Lassen，Xiaocai Xu，yuki hame Laura Luzzietti，Tom Bennett，Kerstin Kaufmann，Thomas Greb，" strigolactones optimise plant water usage by modulating vessel formation "美國航空公司, 10.1038/s41467-025-59072-y 主講人理化研究所 環(huán)境資源科學(xué)研究中心 形成層干細(xì)胞系統(tǒng)理研ECL研究單元 理研ECL研究單元組長石東博阿 (開拓研究所石形成層干細(xì)胞系統(tǒng)理研ECL研究單元理研ECL研究單元組長) 石東博 主講人評論此次研究得到的肥大生長的植物組織的細(xì)胞圖譜，就像航海圖一樣，充滿了很多作為今后研究指南的信息。 利用這些信息，接下來將明確形成層干細(xì)胞的作用機制。 |
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