研究生蒂姆·凯利赫（Tim Kelliher）和弗吉尼亚·沃尔博特教授在斯坦福校园的田间检查玉米流苏。照片：洛杉矶西塞罗
斯坦福大学的一组科学家使用一种简单的方法证明，发育中的花朵深处的低氧水平是触发植物性细胞形成所需的全部条件。这些发现可能会导致新的植物育种技术。
多年来，玉米的性生活受到了很多人的关注。到公元前 5000 年，美洲的农学家已经通过异花授粉产生更大的植物或有色籽粒，生产出第一个杂交玉米品种。
今天，玉米杂交种子生产是一个价值数十亿美元的产业，杂交也是大多数其他物种生产的基础。但尽管植物繁殖在农业综合企业中发挥着核心作用，但研究人员从未回答过一个基本问题：植物性细胞从何而来？
根据斯坦福生物学教授弗吉尼亚沃尔博特和研究生蒂莫西凯利赫的说法，答案非常简单。在一组优雅的实验中——Walbot 以“想出基本上不用钱就可以做的实验”而自豪——研究人员证明，发育中的花朵深处的低氧水平是触发性细胞形成所需要的全部。
这一发现不仅具有学术意义。
“控制植物繁殖对于现代农业来说是相当基础的，”Walbot 说。
在玉米行业中，仍然通过手工去雄玉米种子来控制谁给谁受精，一种开启或关闭性细胞生产的技术可以显着提高对植物杂交育种的控制。
该研究论文最近发表在《科学》杂志上。
当两朵花非常相爱时
所有开花植物都会在称为花药的结构中产生花粉，在玉米中，花粉是从我们称为流苏的独特雄花簇中生长出来的。但在这些花药成熟之前，它们在植物深处排列成三叶草状。这些三叶草状裂片内的中央细胞会变成性细胞，最终变成花粉。
这种发展背后的机制在植物中是未知的。在动物中，周围的细胞向生殖系发出信号，从单个“创始细胞”开始形成。 Walbot 和 Kelliher 倾向于这一观点，他们发现了两个有希望的信号分子 MAC1 和 MSCA1。缺乏 MAC1 蛋白的植物会产生过多的生殖细胞。缺少MSCA1的植物根本就没有。
显然，MAC1对于组织生殖细胞周围的非性细胞很重要，而MSCA1对于细胞发育成性细胞是必需的。但两者之间的联系，以及最初导致他们表达的原因，仍不清楚。
氧化还原的作用
尽管大多数研究人员认为，与动物一样，性细胞是从一组具有预定偏好的特殊细胞发育而来的，但 Walbot 和 Kelliher 看到了两条暗示并非如此的线索。
首先，性细胞的物理排列并不表明存在单一的“创始人”。事实上，它暗示了一种场景，“你作为一个牢房的地位比你的父母是谁更重要，”凯利赫说。
其次，MSCA1酶的运作方式表明氧气水平可能在信号传导过程中发挥作用。
植物内部的环境既可以是“氧化的”——氧气充足，有利于氧化——也可以是“还原”——防止氧化，通常是由于缺乏活性氧，而相反的还原过程是有利的。 MSCA1 恰好通过还原发出信号——这意味着不同的氧气水平可能会产生不同的发育影响。
为了验证这一理论，研究人员将探针插入玉米未成熟的花药组织深处。他们的发现很能说明问题：异常低的氧气水平——可能是快速生长的花药代谢活动的副作用——细胞开始转变为性细胞的确切时间。
玉米软管
为了了解低氧是否与性细胞发育有关，研究人员将一根塑料软管插入发育中的花药，并通过管道输送混合气体。
高浓度的氧气大大减少了性细胞的数量。高浓度氮气，惰性，提供还原环境，增加性细胞形成。
“这是一个非常简单的实验，”沃尔博特说。 “我们在两天内就有了初步结果。”
研究人员表明，低氧甚至可能导致花药裂片外的细胞（通常不会产生花粉）发育成性细胞。
总而言之，Walbot 解释说，有证据表明，正在生长的花药内自然发生的氧含量变化会导致中央细胞首先变得缺氧：“最缺氧的细胞然后会触发开关。”
一旦氧气水平降至某个阈值以下，MSCA1 终于能够开始工作并减少其目标，导致中央细胞变成性细胞。然后这些细胞释放 MAC1，从而确保外部细胞不会变成生殖细胞。
这是一种由内而外的分化模式，与动物种系完全不同——这或许可以解释为什么需要这么长时间才被发现。
“植物利用自己的结构来创造这种发育信号，”凯利赫说。 “然后任何细胞都可以创造下一代，只要它在正确的位置 - 你不必特别指定。这是一个浪漫的想法。”
玉米研究的孩子
密切关注整个植物的生育过程对于杂交种子行业至关重要。田间通常种植两种将要杂交的种子玉米。为了防止植物受精——这会导致植物质量低劣——需要去除一个物种的所有流苏。
这是一项艰巨的任务，需要专门的去雄机，然后由人员检查遗漏的植物。
“目前，他们每年去除 100 万英亩玉米上的流苏，每英亩 20,000 株，”沃尔博特说。 “那是数十亿手工去雄的植物。”
已经开发出不需要去雄的不育玉米品种，但事实证明难以完善。低氧灭菌方法可以使自动化杂交更加简单，使其适用于大量品种。
“我们将这些应用程序留给了工业界，”沃尔博特说。但这项研究的影响可能是广泛的。假设这一发现适用于所有开花植物，正如许多研究小组正在寻求证实的那样，这一发现可能会为大量作物开辟新的生育控制水平。
斯坦福大学目前正在为该论文的一些发现申请专利。
图片：洛杉矶西塞罗
