已经发现根尖的一个小区域负责协调通过植物根部运输糖分的复杂维管组织网络的生长和发育。
在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中，一个国际科学家团队展示了植物如何构建韧皮部细胞的详细蓝图——韧皮部细胞负责在我们收获的植物部分(种子、果实和贮藏块茎)中运输和积累糖分和淀粉。 ) 养活世界上大部分地区。
这项关键研究揭示了根分生组织中的全局信号如何协调韧皮部组织的不同成熟阶段。
韧皮部是一种高度专业化的维管组织，它在整个植物体内形成一个相互连接的连续链网络。它在叶、根、花和果实之间运输糖分、营养物质和一系列信号分子。
因此，韧皮部是植物功能的核心。了解韧皮部网络如何启动和发展对于未来在农业、林业和生物技术中的应用很重要，因为它可以揭示如何更好地将这种糖能输送到需要的地方。
植物如何在多车道高速公路上建造糖路?
植物根系在植物的整个生命周期中不断生长。这种被称为不确定生长的现象意味着根在向根尖添加新组织时会不断伸长，就像建造一条永无止境的高速公路一样。连续排列的特殊韧皮部细胞沿着根的长度(类似于高速公路上的车道)将主要营养物质蔗糖输送到植物生长所需的部分。为了发挥这一重要作用，韧皮部组织必须迅速发育和成熟，才能为周围组织提供糖分——类似于建设一条服务车道，需要在建设多车道高速公路的第一阶段完成。
长期以来一直困扰植物科学家的问题是，单一的指导性蛋白质梯度如何能够在根中存在的所有不同的特化细胞文件(公路车道)上进行构建阶段。一种细胞类型如何读取与其相邻细胞相同的梯度，但如何对其进行不同的解释以进行自己的专门发育，这是植物科学家一直在努力解决的问题。
在过去的 15 年里，剑桥大学和赫尔辛基大学的 Yrjö Helariutta 团队的研究人员已经揭示了细胞间通讯和血管模式中涉及的复杂反馈机制的核心作用。与纽约大学和北卡罗来纳州立大学的合作者进行的这项新研究揭示了韧皮部细胞的单通道是如何独立于周围细胞构建的。
Sainsbury/Helsinki 小组使用单细胞 RNA-seq 和实时成像剖析了模式植物拟南芥中韧皮部细胞文件(糖运输通道)构建的每个步骤。他们的工作展示了控制根的广泛成熟梯度的蛋白质如何与专门控制韧皮部发育的遗传机制相互作用。
这是一种似乎可以帮助韧皮部细胞文件使用其自身的机制来解释成熟线索来快速跟踪成熟的机制。该研究的共同第一作者、剑桥大学塞恩斯伯里实验室 (SLCU) 的研究员 Pawel Roszak 博士解释说：“我们已经展示了根分生组织中的全局信号如何与细胞类型特定因子相互作用以确定不同阶段的韧皮部在细胞分辨率下发育。使用细胞分选，然后对底层基因调控网络进行深度、高分辨率的单细胞测序，揭示了一种触发快速发育转变的相互遗传抑制的“跷跷板”机制。
该小组还展示了韧皮部的发育是如何随着时间的推移而分阶段进行的，早期的基因程序会抑制晚期的基因程序，反之亦然——就像在高速公路建设的后期，道路沥青铺设工作人员将施工交给车道油漆工一样。此外，他们展示了早期韧皮部调节剂如何指示特定基因将韧皮部细胞分裂为两种不同的亚型——比如在通往两个不同目的地的道路上建造一个岔路口。
这项工作的共同负责人 Yrjö Helariutta 教授说，他的团队重建了拟南芥根中原韧皮部从出生到终末分化的步骤，暴露了这些步骤。Helariutta 说：“韧皮部发育需要广泛的成熟梯度与细胞类型特异性转录调节因子相连接以进行细胞分化。”
“通过将单细胞转录组学与实时成像相结合，我们已经绘制了从韧皮部细胞的诞生到其终末分化为韧皮部筛元件细胞的细胞事件。这使我们能够揭示协调细胞成熟和连接时间的遗传机制“遗传级联到广泛表达的分生组织成熟的主要调节因子。发育机制的精确时间对于韧皮部的适当发育至关重要，具有明显的“故障安全”机制来确保过渡。”
研究人员计划进一步探索这些机制的演变，以及这些步骤是否在植物的其他区域和其他植物物种中复制。
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