正在發(fā)芽的綠豆種子。
植物的種子雖然看起來平淡無奇，卻擁有不可思議的超能力：在干燥的狀態(tài)下，它們可以儲(chǔ)存能量數(shù)年，當(dāng)環(huán)境條件適宜時(shí)，會(huì)突然釋放能量以供發(fā)芽。最著名的例子發(fā)生在美國(guó)死亡谷國(guó)家公園，那些在干旱炎熱的沙漠中保存了幾十年的種子，會(huì)在降雨后突然發(fā)芽，數(shù)月后開出艷麗的花朵。
種子保存了一個(gè)完全成形的胚胎，這個(gè)胚胎只有在適宜的條件下才能繼續(xù)生長(zhǎng)。種子的萌發(fā)受到多種植物激素的控制，雖然對(duì)這些激素的研究一直是熱點(diǎn)，但研究人員對(duì)其發(fā)揮作用的過程卻知之甚少。種子中的能量是如何被利用的？怎樣才能盡早有效地進(jìn)行能量代謝？
近日，德國(guó)明斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組對(duì)種子萌發(fā)過程中的能量代謝問題進(jìn)行了研究。他們利用一種新型的熒光生物傳感器，在活的種子細(xì)胞中觀察了能量代謝和依賴于硫的氧化還原代謝。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在種子接觸水的幾分鐘之后，能量代謝就能建立起來了。植物細(xì)胞中的線粒體激活了種子的呼吸作用，而硫醇氧化還原開關(guān)在能量的有效釋放中起著核心作用。相關(guān)論文發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》中。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，明斯特大學(xué)的Markus Schwarzlander教授說：“通過觀察種子發(fā)芽控制的早期過程，我們可以更好地理解驅(qū)動(dòng)種子發(fā)芽的機(jī)制。未來，我們可以考慮如何在作物生物技術(shù)中使用這樣的開關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展有積極的影響——一方面可以幫助種子在盡可能長(zhǎng)時(shí)間里保持發(fā)芽活力，另一方面也可以幫助種子同步發(fā)芽。”
熒光顯微鏡下觀察到的發(fā)芽中的種子。
為了觀察能量代謝中發(fā)生的活動(dòng)，研究人員在顯微鏡下觀察了細(xì)胞中能量的通用貨幣——ATP和線粒體中的電子能量——NADPH ，并比較了干燥和“吸水”的苔菜種子。
為了確定氧化還原開關(guān)對(duì)啟動(dòng)種子發(fā)芽的重要性，研究人員使用遺傳學(xué)方法使特定的蛋白質(zhì)失活，然后比較改良前后種子的反應(yīng)。通過讓種子在實(shí)驗(yàn)室里人工老化，他們發(fā)現(xiàn)，如果種子缺乏相關(guān)的蛋白質(zhì)，發(fā)芽活性就會(huì)大大降低。
隨后，研究人員進(jìn)行了氧化還原蛋白質(zhì)組的分析，為此，他們分離出了激活的線粒體并快速冷凍，以便直接研究這一過程發(fā)生的狀態(tài)。然后，研究人員使用質(zhì)譜法鑒定出了幾種對(duì)能量代謝的資源效率非常重要的半胱氨酸肽。
“這個(gè)過程可以比作大城市中的交通控制系統(tǒng)。在交通高峰期（即發(fā)芽期）開始之前，硫醇氧化還原開關(guān)可以打開紅綠燈和行車路線系統(tǒng)?！边@篇論文的主要作者Thomas Nietzel解釋道。
編譯：花花 審稿：阿淼 責(zé)編：雷鑫宇
期刊來源： 《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》
期刊編號(hào)： 0027-8424
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