加拿大蒙特利尔大学的研究人员发现，重力的改变可以影响植物的繁殖过程。通过调整一些细胞内“高速公路”的交通状况，重力能影响植物的雄性生殖器官——花粉管的生长和功能。“正如人类的繁殖过程一样，植物的精细胞也需要一个圆柱形的工具将其输送到卵细胞里。与动物的不同之处在于，植物的输送工具仅由一个细胞组成，而且每次只运送两个精细胞。”蒙特利尔大学生物系的Anja Geitmann教授如是说，“我们的研究为了解地球上生命的进化提供了新的视点，并且对人类健康也有重要意义，因为这些‘高速公路上的交通阻塞’同样存在于人类细胞中，它们会导致癌症和阿尔兹海默病之类的脑部疾病。”他们的研究论文已于昨日发表在在线期刊Plos One上。
动植物细胞的内部犹如一座城市，里面有很多名为细胞器的工厂负责加工制造、能量供应和废物处理。一个由细胞内“高速公路”组成的网络保证了工厂间的联络，以及工厂间和细胞内外的物质运输。植物细胞中的高速公路系统尤其繁忙。“科学家已经知道人类、动物和植物的演化与地球的重力息息相关，而且生物都能感知到重力。”Geitmann说，“我们正在研究的是更强或更弱的重力会对人类和植物的细胞造成怎样的影响。前者可称为超重，可能来自一颗比地球更大的行星；后者可称为失重，类似太空飞行器中的零重力环境。细胞内运输过程对细胞功能有极其重要的意义，对干扰也非常敏感。之前这些过程会如何受到重力改变的影响，我们还知之甚少。”
这就是研究人员使用的位于欧洲航天局的大型离心机。
作为研究对象的细胞被放置在一台巨大的离心机中，同时放入的还有一部连着摄像机的显微镜，以便研究人员实时追踪细胞在离心机产生的超重环境下的发育情况。“感谢欧洲航天局提供的设施，让我可以确定超重和模拟失重状态对快速生长的花粉管中的细胞内运输过程的影响。”Geitmann实验室的研究人员Youssef Chebli说道，“我们选择植物精细胞的携带者——花粉作为研究模型，一方面是因为它在植物繁殖和农业生产中扮演的关键角色，另一方面是因为它们萌发后生长得非常快，这意味着我们能在几秒到几十秒的时间内观察到超重造成的影响。”
扫描电镜下一枚带有花粉管的花粉粒。
研究人员对细胞内的特定结构做了染色处理，以展现细胞内组分如何运动，以及细胞内的运输方式如何响应重力的改变。“我们发现细胞内的交通流在超重环境下受到了损害。而对于生长中的细胞，无论超重还是失重都会对精密调控的细胞膜建造过程产生影响。”Chebli说，“这不仅有助于我们了解植物生殖机制的一些基本原理，更重要的是，我们可以借此了解真核生物的细胞内运输过程对重力变化的响应机制。我们的研究对人类健康的意义在于，类似效应很可能也存在于人类细胞中，例如，在神经元中，长距离的细胞内运输也是非常重要的。”
Update:果壳网对论文作者Anja Geitmann进行了采访并获取了原始论文，大家可以从中得知更多的相关信息。
果壳网：在快速生长的花粉管中，细胞内运输系统是如何工作的？
Geitmann：花粉管里有一副由微管和肌动蛋白纤维构成的细胞骨架。不过，在典型的植物细胞里，小型细胞器的快速运输主要由一套基于肌动蛋白-肌球蛋白的机制驱动，而微管似乎只和精细胞在花粉管里的移动有关。细胞器的移动速度很“快”，可以达到每秒几毫米。细胞器流动的模式已经了解得很清楚，看起来像反向的喷泉。
果壳网：超重和失重对植物的生殖过程会产生同样的负面影响吗？生长过程被干扰的花粉管会变成什么样子？
Geitmann：首先，花粉萌发和花粉管生长这两个过程受到的影响是不一样的。超重和失重都能显著地影响花粉萌发。花粉管生长受到失重的显著影响，但仅在超重达到10g的时候稍微受到一点影响，20g的时候会更明显一些。尽管超重和失重产生的所有影响都是负面的，细节却不尽相同。花粉管在超重时变得更粗，而失重时更细。细胞壁组分的空间分布受到的影响也差异很大，因为胼胝质的分布在失重和超重条件下的改变方式也非常不同。
研究人员拍摄的不同重力条件下的花粉管情况。供图：Anja Geitmann
果壳网：你们怎样模拟失重呢？许多植物的花粉萌发都需要数小时的时间，你们如何将失重条件维持那么久？
Geitmann：我们用于实验的山茶花粉的萌发时间在30分钟以内。模拟重力（更确切地说，是全向重力）环境是由一台3自由度的随机定位机器产生的（如下图所示），它可以令实验样本向任意方向翻转。1G的重力是始终存在的，这台机器可以令其作用在样本的不同方向上，因此这些作用会互相抵消。这种模拟失重的效应并不一定对所有生物都有效，这取决于用来观察何种生物过程。还有更多相关的重力实验，大家可以戳这里。
果壳网：重力改变的环境会如何影响人类的生殖过程呢？比如精子运动、受精和受精卵着床？这对未来人类在太空环境长期生活应该十分重要。
Geitmann：不好意思，依据我们的研究数据不能对这个问题做任何论断。我们并不特别关注人类的生殖过程，相比之下我们对与细胞内运输相关的人类细胞活动更感兴趣，例如轴突生长和神经元内部的长距离运输。这些过程与很多人类疾病比如帕金森氏病和阿尔兹海默病相关。然而尽管存在这些相似性，我仍然不会过度演绎我们的研究结果。
果壳网：基于这项研究，我们可以展望“重力改变技术”在人类疾病治疗方面的应用吗？
Geitmann：我还是要说，不能过度阐释我们的数据。不过，观察神经元内部运输对重力改变的响应，并比较与花粉管的异同，是非常有趣的。这令我们可以更好地在显微水平上了解人类在微重力环境下行为能力改变的机制（例如反应能力、心智和感知力等等）。
信息来源：EurekAlert！
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