前沿 生物

微芯片系统证明:适度紧握,释放精子

揭示植物有性生殖中花粉管的生长过程,精细胞如何与卵细胞结合?

Aristoteles 发表于  2013-05-02 09:47

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

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