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【论文故事】我发现了植物细胞分裂新关键

植物 细胞 细胞分裂 读博士

冷月如霜 发表于  2016-08-08 11:27

无论动物还是植物,多细胞生物都是从一个受精卵发育而来。随着受精卵不断进行细胞分裂,不同的组织、器官逐渐形成,并最终发育成一整个个体。没有分裂,就没有如此绚烂多彩的生命。

动物细胞和植物细胞形态上的差异,让它们的分裂机制不尽相同。在动物细胞分裂的过程中,母细胞会采取“瘦腰”策略。它们的中间会逐渐凹陷,勒着勒着就勒断了,将细胞一分为二。

快要一分为二的两个动物细胞。图片来源:leavingbio.net

然而,植物细胞的表面有着一层坚硬的细胞壁,这让它们无法采取和动物细胞一样的策略。

植物细胞是很机智的,外部不能硬来,就从内部做文章。在细胞分裂时,它们就在细胞内部闷声合成新的细胞壁。随着肚子里的细胞壁越长越大,现有的细胞壁与新长的细胞壁融合到了一起,细胞分裂也就完成了。

植物细胞分裂图。图片来源:wiki.district87.org

那么问题来了,细胞壁怎么就能这么张爱玲——没有早一步,也没有晚一步,刚巧出现在要分裂的植物细胞里呢?

寻找影响细胞壁合成的基因

为了回答这个问题,我们做了第一个假设:植物细胞分裂时,会激活一些主管细胞壁合成的基因。

为了验证这个假设,我们的合作伙伴找到了一群正在快速分裂的细胞,检查了它们内部的基因表达情况。实验结果表明,已知的一些细胞壁合成基因的确出现了激活。在其中,我们发现了一个叫做CSLD5的有趣基因。从蛋白质的序列来看,它与已知的纤维素合成酶非常接近,而纤维素也正是植物细胞壁的主要成分。它好像专门为细胞分裂而生似的,只在分裂最旺盛的时候才被激活。一旦细胞分裂完毕开始生长,它就变得不活跃了。

很好,你成功地引起了我的注意。(良辰脸

既然你那么特别,一定起了很关键的作用吧?果不其然。在除去了CSLD5基因的植物里,我们发现细胞壁出现了漏洞,细胞的数量也明显变得更少。这些结果表明,缺乏CSLD5会影响细胞壁合成,从而进一步影响细胞的分裂。

正常植物细胞(左);缺少了CSLD5的植物细胞(中);同时缺少CSLD2CSLD5的植物细胞(右)。箭头所指的是惨不忍睹的细胞壁漏洞……心疼最右…… 图片来源:作者提供

我们又立刻把目光转向了CSLD5的兄弟——CSLD2CSLD3基因。这三个基因都在植物内广泛存在,后两者是否也会对植物细胞壁的合成造成影响呢?我们发现,如果单独敲除CSLD2CSLD3,植物的细胞壁还能够保持完整。但一旦同时缺少CSLD2/CSLD5,或CSLD3/CSLD5,细胞壁的缺失情况就会急剧恶化。于此同时,这些植物会变得小得可怜,往往活不到传宗接代……

正常拟南芥(左);缺少了CSLD5的拟南芥(中);同时缺少CSLD2CSLD5的拟南芥(右)。可以看到,少了CSLD5,植物就变小了。少掉CSLD2CSLD5后,植物简直变成了霍比特人……(白色横杠代表1厘米)。图片来源:作者提供

这些现象告诉我们,在这三个CSLD基因中,CSLD5在细胞分裂的过程里起到了主要的作用,而CSLD2CSLD3同样有着贡献。它们的作用范围可以影响到整个植物。

好蛋白:随叫随到,使命必达

那么下一个问题来了,这些基因是怎么影响细胞壁合成的呢?为了观察它们编码的蛋白质在植物细胞分裂过程中的作用,我们把它们都给连上了荧光蛋白,然后观看它们的动向。这一看就看到了不得了的事情……

在细胞分裂前,CSLD5蛋白在细胞内基本看不着,然后它们说出现就突然出现了,而且直接聚集在新合成的细胞壁上。为了了解它出现的具体时间,我们又引入了能够指示染色质的一个荧光融合蛋白。我们发现,当染色体完成复制,开始往两个子细胞移动时,CSLD5就出现了。这说明在细胞有丝分裂后期的第一时间,它已经开始(准备)合成细胞壁。


绿色的CSLD5蛋白,总是在细胞壁合成的时候出现。图片来源:作者提供

嗯,这里送上小电影一份。红色的是染色质(由CYCB1:1-GFP标记),绿色的是CSLD5蛋白,蓝色的是细胞膜(由FM4-64标记)——这些颜色都来自荧光蛋白标记。我每30秒拍一帧,一共拍了大概2-3小时,才得到这样一个小电影。

不要问我花了多少时间摸索植物活体摄影的条件,也不要问我有多少次植物拍着拍着就突然死了。太伤感情了……

观看了无数个小电影后,我们确认CSLD5蛋白在细胞分裂结束后就消失了,“挥之即去”是它所独有的特性。我又找到了其他两个能分布在新生细胞壁上的蛋白,并确认在细胞分裂结束后,它们依旧存在。

难道植物细胞也会玩过河拆桥这一套?

渣植物:分裂完毕,随手抛弃

我们又做了第二个假设:如果CSLD5是一个不稳定的蛋白,那么倘若我们用试剂阻碍新蛋白质的产生,旧的去了,新的不来,CSLD5蛋白总量应该就会越来越少。同样的,如果我们用试剂去阻碍CSLD5蛋白的降解,旧的不去,新的继续来,它应该会越来越多才对。

预测再好,也要实证。通过实验,我们验证了这两点。这也进一步说明CSLD5确实易被分解。

CSLD5蛋白与突变的BRI1-9蛋白一样,非常不稳定。24小时内,条带越来越浅,代表蛋白变少了许多。而用来做对照的Tubulin蛋白则始终没什么改变。图片来源:作者提供

我们也用另外的手段,找到了一些其他基因。它们会影响细胞分裂过程中蛋白质的降解。如果CSLD5的降解受这些基因控制,那么当这些基因突变后,CSLD5或许就不会降解得那么快了。

幸运的是,我们找到了一个叫做CCS52A2的基因,它的突变会让CSLD5变得稳定。

最后,我们在一系列连续分裂的细胞中,发现CSLD5的荧光的确呈递减的趋势。

细胞按1-2-3的顺序分裂,越早分裂完的细胞里,CSLD5的荧光越弱。图片来源:作者提供

这些实验结果表明,在细胞分裂结束后,CSLD5的确是被过河拆桥了……

关于植物细胞分裂的研究已经有了很多,与新生细胞壁有关的多糖合成酶也有不少。但CSLD5是首个被证实和细胞周期有着显著关联的蛋白,它表明在植物细胞分裂的过程中,新细胞壁的合成受着非常严格的控制。

意义?读博需要意义吗?

这项研究对现实生活有什么意义呢?细胞分裂对于任何一种多细胞生物来说都至关重要,而和植物相关的研究或许能帮我们更好地改造作物,为人所用。此外,细胞壁中的纤维素是重要的工业材料,也可以被用于生物能源。

但我并不是为了这些目的去做这项研究的。如果说它对我个人的意义,那或许就是极大地满足了我的好奇心。刚加入实验室时,CSLD5还是一个没多少人关注的基因。但通过大胆假设和小心验证,我们用六年的时间为它讲了一个精彩的故事。

本期Plant Cell推荐了三篇文章,我的论文是其中一篇。图片来源:www.plantcell.org

我是全世界第一个认识到它在细胞分裂过程中的作用的人,也是全世界第一个注意到它在细胞分裂过程中聚集到新生细胞壁,在分裂结束后又会被降解的人。自然始终在对人类私语,而我第一个听懂了它长篇大论中关于CSLD5的那句。

这些新发现让我兴奋不已。虽然它只是植物细胞生物学领域内一个极小的推动,但正如Matt Might那副著名漫画《Ph.D.到底是什么》说的那样,人类认识的疆域,正是因无数人的一点点推动而不断增长。而我亦用生命中的六年,推动了我们对自然的一点点认识,这正是读博的意义,不是吗? (编辑:游识猷)

嗯,就是这么一点点~ 图片来源:Matt Might

参考文献:

  1. Gu, Fangwei, Martin Bringmann, Jonathon Combs, Jiyuan Yang, Dominique Bergmann, and Erik Nielsen. "The Arabidopsis CSLD5 functions in cell plate formation in a cell cycle dependent manner." The Plant Cell (2016): tpc-00203.

热门评论

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全部评论(33)
  • 1楼
    2016-08-08 12:21 林夕走召

    故事讲得真好^_^

    plant cell。。。

    [5] 评论
  • 2楼
    2016-08-08 12:42 冷月如霜 植物细胞生物学博士生
    引用@林夕走召 的话:故事讲得真好^_^plant cell。。。

    多谢 :)

    [3] 评论
  • 3楼
    2016-08-08 14:21 酱酱酱酱那个油猫

    感谢作者

    来自山寨果壳.wp
    [2] 评论
  • 4楼
    2016-08-08 15:44 大头米少

    这自信满满的文风看着感觉还挺不错的

    [2] 评论
  • 5楼
    2016-08-08 15:45 神采洋

    所以说6年了还没毕业?→_→

    [11] 评论
  • 6楼
    2016-08-08 16:31 橙子不见

    好棒啊

    WP烂爆了,千万别买
    [0] 评论
  • 7楼
    2016-08-08 16:57 天降龙虾
    引用文章内容:自然始终在对人类私语,而我第一个听懂了它长篇大论中关于CSLD5的那句。

    自然一直在对所有物种私语,而人类却总喜欢窃听其它频道的内容。。。。。恭喜你,又破解了一段密语。。。

    [3] 评论
  • 8楼
    2016-08-08 17:42 鬼谷藏龙 神经科学博士生

    是不是可以恭喜作者顺利毕业了?

    [22] 评论
  • 9楼
    2016-08-08 17:51 lone-wolf

    厉害......

    [0] 评论
  • 10楼
    2016-08-08 18:10 官明彦

    最后一张图略性情……

    [0] 评论
  • 11楼
    2016-08-08 20:37 微笑哈士奇
    引用@落花游鱼 的话:

    那么,作物生长的原材料呢?这个可不能通过细胞分裂来增加。

    [0] 评论
  • 12楼
    2016-08-08 21:22 梦游侠

    干货足,为文章最后一句话致敬

    来自 广告位招租
    [1] 评论
  • 13楼
    2016-08-08 21:43 阿尔伯特-爱因斯坦
    引用@落花游鱼 的话:

    你知道能量守恒定律么.......

    [0] 评论
  • 14楼
    2016-08-08 21:44 阿尔伯特-爱因斯坦

    加快植物生长速度顶多可以用来发个黄豆把。。。

    [0] 评论
  • 15楼
    2016-08-08 23:29 Aditrc

    苹果

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-08-08 23:56 胡仙太奶

    太感动了,我是高三党,我学校有实验室还不让我们做实验,看了你的这篇文章,我在想高考能给我们出关于这个的什么题,第一次离科学家这么近,感谢果壳,感谢您

    [1] 评论
  • 17楼
    2016-08-09 01:03 幼发拉底

    恭喜!

    [0] 评论
  • 18楼
    2016-08-09 01:38 梧桐清声 生理学博士
    引用@神采洋 的话:所以说6年了还没毕业?→_→

    6年是正常速度了好吗

    [1] 评论
  • 19楼
    2016-08-09 08:38 Medics

    外行表示好奇第一张图是怎么染的色。。。

    首页上放的第一张图,我看完标题看图然后心里一惊:“难道植物细胞也有和动物细胞一样分裂的?”

    进来一看我就无语了....

    [2] 评论
  • 20楼
    2016-08-09 08:52 qufuliao

    感觉很有用的样子

    [0] 评论
  • 21楼
    2016-08-09 09:12 EdwardXn

    看完表示很感动!恭喜作者!

    [0] 评论
  • 22楼
    2016-08-09 10:24 无奈的心

    看到这个细胞壁的基因。我首先想到了那个奶牛进行光合作用的设想,

    [0] 评论
  • 23楼
    2016-08-09 11:15 冷月如霜 植物细胞生物学博士生
    引用@神采洋 的话:所以说6年了还没毕业?→_→

    毕业了。。。

    [1] 评论
  • 24楼
    2016-08-09 11:15 冷月如霜 植物细胞生物学博士生
    引用@鬼谷藏龙 的话:是不是可以恭喜作者顺利毕业了?

    惭愧

    [0] 评论
  • 25楼
    2016-08-09 14:05 薛定谔的毒气罐

    恭喜毕业~(手动滑稽

    话说高中一直学的是细胞壁的形成和高尔基体有关,我当初还以为是细胞壁是由很多高尔基体凑到一块合体成的……果然认识是无止境的啊


    [0] 评论
  • 26楼
    2016-08-09 15:40 绵-_-羊

    恭喜!

    [0] 评论
  • 27楼
    2016-08-09 17:22 洛天依_4006
    引用@鬼谷藏龙 的话:是不是可以恭喜作者顺利毕业了?

    哇 神经学的哥哥

    [0] 评论
  • 28楼
    2016-08-09 17:43 游识猷 遗传学硕士,科学松鼠会成员

    恭喜毕业~~~

    以及,恭喜脱坑~~~~~

    [1] 评论
  • 29楼
    2016-08-09 17:46 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@冷月如霜 的话:惭愧

    羡慕……

    [0] 评论
  • 30楼
    2016-08-09 19:25 Regulus-w

    恭喜恭喜!话说生物博士的文风这么可爱真的好么~~

    [0] 评论

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冷月如霜 植物细胞生物学博士生

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