春天，種子發(fā)出的嫩芽能夠以柔克剛破土而出，讓不少人驚嘆生命的力量。研究發(fā)現(xiàn)，嫩芽頂端的彎鉤是其成功出土的關(guān)鍵所在。然而，頂端彎鉤的形成機(jī)制卻困擾了科學(xué)家100多年。

　　“《科學(xué)-進(jìn)展》近日?qǐng)?bào)道了我們關(guān)于植物頂端彎鉤形成機(jī)制的研究成果，我們成功揭示了植物嫩芽頂端彎鉤的發(fā)育形成機(jī)制，系統(tǒng)解答了這一懸而未決的問(wèn)題。”1月18日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李傳友告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

　　頂端彎鉤的形成本質(zhì)上是生長(zhǎng)素對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的差異控制

　　埋在土里的種子發(fā)芽后，要想成功破土而出。一方面，需要幼苗的下胚軸通過(guò)快速向上生長(zhǎng)，獲得破土而出的動(dòng)力；另一方面，需要下胚軸的頂端形成一個(gè)稱為“頂端彎鉤”的結(jié)構(gòu)，將脆弱的子葉和頂端分生組織彎向下生長(zhǎng)。

　　“這種彎曲的結(jié)構(gòu)，既能保證幼苗擁有一個(gè)相對(duì)堅(jiān)硬的‘鉆頭’沖破土壤，又能避免子葉和頂端分生組織在出土過(guò)程中與土壤直接沖撞而造成機(jī)械損傷?！崩顐饔颜f(shuō)，對(duì)于絕大多數(shù)雙子葉植物而言，頂端彎鉤的形成是成功出土的關(guān)鍵所在。

　　早在1881年，達(dá)爾文父子就曾對(duì)頂端彎鉤的形成進(jìn)行了初步探討。“之后的140年里，盡管頂端彎鉤吸引了無(wú)數(shù)植物生物學(xué)家的研究興趣，但其具體的發(fā)育形成機(jī)制一直是植物生物學(xué)領(lǐng)域的未解之謎?！崩顐饔褟?qiáng)調(diào)。

　　事實(shí)上，頂端彎鉤是由于下胚軸頂端兩側(cè)的細(xì)胞差異性生長(zhǎng)導(dǎo)致的。生長(zhǎng)素的不對(duì)稱分布是導(dǎo)致這種差異性細(xì)胞生長(zhǎng)的原因：彎鉤內(nèi)側(cè)高濃度的生長(zhǎng)素抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)慢而外側(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)快，使得下胚軸向內(nèi)彎曲。

　　因此，“本質(zhì)上來(lái)講，頂端彎鉤的形成是生長(zhǎng)素對(duì)植物細(xì)胞生長(zhǎng)的差異性調(diào)控問(wèn)題?！崩顐饔颜f(shuō)。

　　作為一種生長(zhǎng)類調(diào)節(jié)激素，生長(zhǎng)素最重要的作用之一是調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的生長(zhǎng)/大小。生長(zhǎng)素對(duì)植物細(xì)胞大小的調(diào)節(jié)具有嚴(yán)格的組織和濃度依賴性。李傳友介紹，一般來(lái)說(shuō)，高濃度生長(zhǎng)素抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，而低濃度生長(zhǎng)素促進(jìn)生長(zhǎng)。在生理濃度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)素在地下部分抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，而在地上部分促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，這也是植物的不同器官具有不同重力反應(yīng)的生理基礎(chǔ)。

　　有趣的是，生長(zhǎng)素在下胚軸中促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的同時(shí)，在頂端彎鉤內(nèi)側(cè)卻抑制了細(xì)胞生長(zhǎng)。它是怎樣做到在如此近的部位發(fā)揮完全相反的作用呢？

　　重力是觸發(fā)幼苗頂端彎鉤形成的起始信號(hào)

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在幼苗發(fā)育的早期，下胚軸中高濃度的生長(zhǎng)素抑制細(xì)胞生長(zhǎng)；之后，隨著下胚軸細(xì)胞的快速生長(zhǎng)和體積變大，高濃度的生長(zhǎng)素逐漸被稀釋到一個(gè)相對(duì)較低的濃度，轉(zhuǎn)而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。

　　“這種生長(zhǎng)素導(dǎo)致的由抑制轉(zhuǎn)為促進(jìn)的生長(zhǎng)調(diào)控使得下胚軸經(jīng)歷了兩個(gè)不同的生長(zhǎng)階段，即早期速度慢而晚期速度快。早期的慢速生長(zhǎng)恰好為頂端彎鉤的形成提供了一個(gè)發(fā)育窗口?！崩顐饔颜f(shuō)，后續(xù)研究表明，重力是觸發(fā)幼苗頂端彎鉤形成的起始信號(hào)。

　　李傳友進(jìn)一步解釋道，在生長(zhǎng)素抑制細(xì)胞生長(zhǎng)的早期慢速生長(zhǎng)階段，重力誘導(dǎo)高濃度生長(zhǎng)素在下胚軸的下側(cè)積累，導(dǎo)致該側(cè)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制得以加強(qiáng)，而另一側(cè)的生長(zhǎng)抑制得以緩解。因此，此時(shí)的下胚軸像根一樣具有正重力反應(yīng)而向下彎曲生長(zhǎng)，進(jìn)而啟動(dòng)彎鉤的形成。

　　同時(shí)，隨著下胚軸細(xì)胞由基向頂?shù)目焖偕L(zhǎng)，底部細(xì)胞先于頂端細(xì)胞生長(zhǎng)變大，使得這些細(xì)胞內(nèi)的生長(zhǎng)素濃度也先于頂端細(xì)胞被稀釋到一個(gè)相對(duì)較低的濃度。這種生長(zhǎng)素濃度的降低導(dǎo)致其對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控作用由抑制轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)。相應(yīng)地，下胚軸底部的重力反應(yīng)也由正變負(fù)轉(zhuǎn)而向上直立生長(zhǎng)。而頂端細(xì)胞因仍具有較高的生長(zhǎng)素濃度而保持正重力反應(yīng)向下彎曲。

　　“隨著越來(lái)越多的下胚軸細(xì)胞由基向頂?shù)剞D(zhuǎn)入直立向上的生長(zhǎng)階段，頂端彎鉤獲得快速向上的動(dòng)力，最終幫助幼苗破土而出?！崩顐饔颜f(shuō)。

　　此外，研究人員還揭示了頂端彎鉤內(nèi)側(cè)高濃度生長(zhǎng)素抑制細(xì)胞生長(zhǎng)的分子機(jī)制。

　　對(duì)此，李傳友表示，這項(xiàng)研究不但揭示了雙子葉植物頂端彎鉤的形成機(jī)制，還提出了一個(gè)高濃度生長(zhǎng)素抑制細(xì)胞生長(zhǎng)的分子框架。這些發(fā)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)寬和更新了人們對(duì)于植物細(xì)胞的生長(zhǎng)調(diào)控這一基本問(wèn)題的認(rèn)知。（記者 陸成寬）