巨大單細(xì)胞的生長如何與日常自我節(jié)律交織在一起

藻類是一種由一個延伸的細(xì)胞組成的海洋藻類，盡管每株植物可以長到一米寬。雖然花椰菜植物內(nèi)有許多單獨(dú)的細(xì)胞核，但它不包含通常會將植物分成許多單獨(dú)細(xì)胞的細(xì)胞膜，從而形成細(xì)胞質(zhì)粘液的自由漂浮環(huán)境。因此，考勒帕向發(fā)育生物學(xué)家提出了有趣的問題——它如何在不由單獨(dú)的細(xì)胞組成的情況下執(zhí)行植物的正常功能?

大多數(shù)植物之所以能夠生長，是因為它們的每個活細(xì)胞都承擔(dān)著特定的任務(wù)，例如發(fā)芽成葉子或莖。許多多細(xì)胞生物都會經(jīng)歷這種分化過程。例如，心臟和大腦等專門的人體器官是由一團(tuán)胚胎細(xì)胞發(fā)育而來的。研究人員推測，分化的關(guān)鍵是細(xì)胞與周圍其他細(xì)胞溝通的能力，協(xié)調(diào)它們的活動，使胚胎“打破對稱性”并發(fā)育成不同的部分。

但是，像Caulerpa這樣的單細(xì)胞植物如果沒有專門的細(xì)胞進(jìn)行通信來引導(dǎo)對稱性破缺，它是如何生長的呢?

“細(xì)胞生物學(xué)的一個主要范式是，細(xì)胞的內(nèi)部環(huán)境是由其環(huán)境和細(xì)胞核中發(fā)生的情況決定的。但在考勒帕，沒有任何東西可以將細(xì)胞核與另一個分開，”加州理工學(xué)院博士后學(xué)者EldadAfik說。

“考勒帕如何創(chuàng)造我們所熟悉的多細(xì)胞植物器官的差異化環(huán)境?我們的假設(shè)是，植物發(fā)出與晝夜光周期同步的葉綠體波。”

由Afik領(lǐng)導(dǎo)的喬治·W·比德爾(GeorgeW.Beadle)生物學(xué)教授兼霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員ElliotMeyerowitz實(shí)驗室的一項新研究表明，考勒帕維持著一種由晝夜光周期引導(dǎo)的內(nèi)部時鐘。

在這段延時視頻中，藻類在白天用葉綠體波淹沒自己，并在黑暗中變得安靜。通過這種方式，晝夜節(jié)律引導(dǎo)它們的生長。圖片來源：加州理工學(xué)院

研究表明，光可以刺激考勒帕在其全身發(fā)射葉綠體波，進(jìn)行光合作用以產(chǎn)生能量并生長。Caulerpa可以自我調(diào)整以適應(yīng)不同的白天和黑夜長度——白天12小時，晚上12小時，或其他一些變化——盡管研究人員仍然不確定這一過程背后的分子機(jī)制。

這項研究題為“巨型單細(xì)胞綠藻中光驅(qū)動的宏觀波、生物鐘和形態(tài)發(fā)生”，發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

研究人員推測，葉綠體在有光的情況下會進(jìn)行光合作用，將光子轉(zhuǎn)化為植物所需的能量。當(dāng)沒有光時，植物會進(jìn)行呼吸——光合作用期間儲存的能量被植物消耗掉。研究人員表示，這兩種不同的狀態(tài)可以創(chuàng)造出兩種不同的環(huán)境，充當(dāng)對稱破壞者。

研究小組發(fā)現(xiàn)，不同的光照條件會產(chǎn)生不同的形態(tài)(植物的外觀)。在12小時亮光和12小時黑暗周期下生長的Caulerpa植物比在24小時恒定可比光下生長的植物顯示出更少和更長的葉子。晝夜循環(huán)似乎很重要，可以向植物發(fā)出何時該生長、何時該“休息”的信號。

“在未來的工作中，我們的目標(biāo)是研究葉綠體波如何與新陳代謝以及植物不同部分之間的同步性以及它們最終形成的不同形狀聯(lián)系起來，”阿菲克說。

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