加拿大协和大学（Concrodia University）的纳米微系统工程研究团队开发出了一套微芯片系统，蒙特利尔大学（University of Montreal）的植物生物学家采用这套系统来观察花粉管，也即植物精子的输送器官，以了解微观障碍对花粉管生长的影响。
这些生物学家用各种狭窄、有弹性的细小通道来“考验”植物的花粉管，导致了后者的一系列生理反应。面对过于狭窄的通道，花粉管往往会停止生长；而通道稍大些的话，花粉管则能成功地挤过去，继续成长。但有趣的是，当花粉管通过孔径介于前述二者之间、孔径与花粉管直径成某个特殊比例的小孔时，以上两种情况都不会发生——这些花粉管会破裂，并释放出其中的精细胞。
（左图：通过特殊孔径的小孔时，花粉管破裂并释放出精细胞。来源：Concrodia University & University of Montreal.）
触发精细胞准时释放的“开关”基本上还不为人所知，但这一过程的调控对于植物成功受粉、坐果具有关键意义，因为高等植物的精细胞是不能移动的，必须一次性准确送到位。
“我们的研究结果表明，一圈围绕着花粉管的压力可以促使精细胞的释放，这说明植物细胞会接收、响应机械信号，”该研究的共同作者之一、蒙特利尔大学的安亚·盖特曼（Anja Geitmann）表示。
植物的雌花会对快速生长的雄配子（即花粉管）造成各种物理阻碍，而本实验中用到的微芯片则是为了模仿这些物理障碍而设计的。与人体内的精子输送器官不同，植物依赖的是从雄配子体（花粉粒）上生长出的圆柱形柱状突起。
研究的另一共同作者、协和大学的穆苏坎马兰·帕克里萨米（Muthukumaran Packirisamy）解释说：“植物细胞的顶端生长与动物细胞中的并不一样，因为它们包裹在僵硬的细胞壁中。从机械学的角度来说，花粉管的这种生长方式与血管扩张手术中用到的气球导管类似——力量是由一个由液体压力驱动的‘液态骨骼’所提供的。为此，我们设计了一些花粉管必须强行挤过的微小通道。”
进行相关的实验必须采用微系统技术。由于花粉管的尺寸很小，它们在穿透孔洞时给出的穿透力也就相当小。而且，这些花粉管不仅需要克服所穿透组织的阻力，也还必须保护它的内容物——每根花粉管中的两个精细胞。在穿过柱头的时候，花粉管必须保持完整的圆柱状，否则它就没有办法将精细胞送到预定位置。一根花粉管可能涨到数厘米长，而直径往往只有5-20微米（人的一根头发直径大约100微米）。（上图：电子显微镜下的两粒茶花花粉。来源：University of Montreal.）
帕克里萨米表示：“为了适应这些细胞的大小，我们设计了这种具有微小孔道的微芯片，并采用高分辨率光刻写技术来产生这种微米级的障碍，其孔径比花粉管还要窄。另外，测量花粉管所施加的压力，我们选择了一种弹性高分子材料，打出的小孔稍微改变了它的强度，不过我们确定它的软硬度刚好。可以通过力学模型来计算花粉管对这些微芯片所施加的压力。芯片技术使得我们能更高效地取得这些细胞行为的数据，远比传统的培养皿实验要高效得多。”
植物的有性生殖在很多方面与人类的相仿。“为了能够达到胚珠、卵细胞，这些花粉管必须穿越受粉花朵的一系列雌性组织，”盖特曼表示，“雄性与雌性组织在此过程中始终保持信号交流，雌性组织通过润滑路径来减少过程中的阻力，而雄性组织则靠施加外力来克服任何残余阻力。”
花粉管必须穿过整个柱头，才能达到胚珠所在的子房，然后还需要经过胎座最终到达卵细胞。在接触卵细胞后，花粉管会解体，使它所携带的一个精细胞与卵细胞结合，另一个与极核结合。
研究人员相信，这些特异性以及控制花粉管直径与生长的行为值得进一步研究。帕克里萨米表示：“我们目前还不太清楚植物体中到底是什么导致了精细胞的释放，但是这一过程中应该涉及到了机械信号。”
编辑的话：即便精细胞适时破裂，也不能保证植物的成功受精，因为在未成熟的花粉管中，精细胞是位于整个花粉管的后部的，即花粉管顶端破裂，也无法保证精细胞能与卵细胞结合——在这背后还有一系列更复杂的调剂途径。当然，这项研究也的确是一个很有意思的发现，虽然它只是揭开了植物花粉管复杂生长行为的冰山一角。
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信息来源：EurekAlert!
文章图片：Concrodia University & University of Montreal；（小图）Shutterstock 友情提供