美著名院士Science植物學重要成果

　　當生長的植物根推動自己通過土壤的時候，它的細胞有很多計劃要做。新的細胞必須呈現適當的身份和位置，以形成不同的組織層次，給予植物根的根系結構，保護它不受外界環境的傷害，并確保它可以將運輸的物質正確地送到植物的其他部位。

　　現在，美國杜克大學、西班牙馬德里理工大學等處的科學家，確定了一組蛋白質，對于指導這個組織的形成，起到了非常廣泛的作用。這些因子被稱為BIRDs，可在植物生長時幫助根保持其組織結構，從而指導植物兩個組織內層發育過程中的幾個不同步驟。該研究是由美國科學院院士、杜克大學系統生物學中心主任Philip Benfey帶領，相關研究結果發表在2015年10月23日的《Science》雜志。延伸閱讀：萬用的植物RNA提取法。

　　許多發育生物學研究的重點是：在胚胎發育過程中身體圖式是如何建立的。在動物中，身體圖式設置了成年人的基本形式。但是，在植物種子內形成的胚胎，與它們將變成的生物相差甚遠。Benfey說：“在植物中，很多我們認為的發育生物學發生在胚胎后。”這意味著，植物必須繼續指定新細胞的身份，并在胚胎發育完成后保持組織模式。

　　Benfey想知道，是什么控制著這些結構形成過程。他的研究主要集中在：在不斷生長的植物中，細胞如何變成專門的細胞類型，構成根的四個同心圓柱體組織。根中的每一層組織都有專門不同的功能，從最外層的表皮——作為根與其環境的接口，到最內層的維管束——輸送水和營養。

　　表皮與維管柱之間是皮層和內皮層。內皮層產生一種防水結構，稱為凱氏帶，而皮質為根提供根結構支持（并有可能執行其專門的功能）。這兩個層面，在一起被稱為基本組織，是由聚集在根尖端的干細胞組成。

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　　不同于發育中的動物的細胞，植物細胞不能相對移動到另一個位置——這使得發育生物學家可以提前確定，根到底是怎樣形成的。一旦細胞出世，它就停留在同一位置，因此細胞基本上會排成排，作為一條發育的時間軸，Benfey解釋說：最小的細胞停留在根尖端，原始細胞旁邊和上面的細胞逐漸更加成熟。

　　這幫助科學家弄清了以下的事件序列：為了給延伸的根產生新的組織，干細胞分裂，補充根尖的干細胞微環境，同時也在上面產生一個子細胞。該子細胞沿根的縱軸分裂，從而使兩個產生的細胞并排放置。這對細胞內部的那個細胞，成為根內皮層的第一個細胞，另外那個細胞形成了皮層的開端。然后，這些細胞擴增形成兩層基本組織。

　　Benfey和他的同事們發現，他們稱為SHORT-ROOT和SCARECROW的兩個因子，共同啟動了這個進程，從而指導干細胞分化為兩個不相同的細胞。他們也已經找到了這個過程需要的其他因子——一個密切相關的分子家族，他們稱之為BIRDs。有跡象表明，BIRDs可能幫助corral SHORT-ROOT——這是在血管組織中產生的，進入發育的根的正確層面，以發揮其作用，但Benfey和他的同事們想更徹底地了解它們的作用。

　　Benfey'實驗室的博士后Miguel A. Moreno-Risueno——現在馬德里植物生物技術和基因組學中心，進行了一系列實驗，他檢測了“當生長的根缺失某種BIRD蛋白時，會發生什么事”。他發現，僅僅缺失一個BIRD蛋白的根，發育過程中沒有缺陷。但是消除這些因子的組合，會產生一些戲劇性的效果。

　　在沒有BLUEJAY、JACKDAW和SCARECROW的植物中，基本組織正常發育成胚胎，但是當植物成熟時便停止發育。產生基本組織和內皮的干細胞丟失。Benfey說：“在植物中，我們不知道是否還有其他這樣的實例：突變因子的結合可導致一種組織完全消失。這有點像失去了一個肝臟。這個組織是植物的一個起作用的關鍵部分，但它完全消失了。”

　　BIRDs是轉錄因子，這意味著，它們通過調控靶基因的活性來發揮作用。Benfey的團隊發現，當BIRDs缺失時，細胞無法打開對基本組織身份非常重要的基因。

　　總而言之，該研究小組的分析表明，BIRDs以一種互補的方式起作用——而不是一種線性的途徑，以控制植物根部基本組織發育的關鍵方面。Benfey說：“所有這些因子都是形成皮層和內皮層所需要的。它們涉及到一個三步過程：指定干細胞、使干細胞正確分裂，然后獲取它們后代的身份。

　　Benfey和他的同事們將繼續調查“將植物根中的干細胞轉化為分化組織的詳細步驟”，從而獲得對全面了解發育生物學至關重要的新見解。