植物研究人员发现了一种蛋白质，其在调节维管植物的细胞分化和性别决定中的作用此前尚不清楚，他们使用了一种蕨类植物模型进行研究。这个发现阐明了干细胞增殖的过程，这对物种的繁殖和延续至关重要，因为它防止所有后代都变为雄性。
普渡大学的研究人员通过涉及蕨类植物模型的研究，确认了一种未被认识的蛋白质在管理维管植物的细胞分化和定义性别方面的功能。这一重要发现为干细胞增殖过程提供了新的视角，该过程在确保并非所有后代都向雄性发育方面发挥着关键作用，从而在繁殖和物种生存中起到重要作用。
植物与植物病理学副教授Yun Zhou与五名普渡大学同事组成的团队，最近在《当前生物学》期刊上分享了他们的研究成果。他们的研究聚焦于常用于植物研究的蕨类植物Ceratorpteris，以揭示在细胞和分子层面上控制干细胞增殖的基本机制。在植物中，尚未分化的干细胞存在于称为分生组织的活跃生长区域。
研究人员发现，一种被称为CrHAM的基因与所有植物、动物和人类存在的一项重要过程——干细胞增殖相关。所有这些多细胞生物都携带未分化的干细胞。
“未分化细胞具备分裂的能力，并提供最终发育成各种器官的细胞，” Zhou解释道。“这就是为什么维护干细胞群体和发展分生组织对植物生长和繁殖至关重要。”
尽管植物科学家已经意识到干细胞对于植物生长和发育的必要性，Zhou详细说明道：“我们的研究显示CrHAM调节分生组织不确定性，强调它在防止干细胞分化方面的主要作用。”
这种蕨类植物可以演变为雄性或雌雄同体。雌雄同体具备雄性和雌性生殖部位，并发展和维持分生组织。相比之下，雄性则不形成分生组织。《当前生物学》中的发现指出CrHAM是一个关键因素，它阻止雌雄同体内的分生组织产生雄性器官。没有这个调节机制，分生组织将会持续分化为雄性器官，导致雌雄同体身份的丧失，并停止该物种的繁殖。
为了收集数据并验证他们的假设，Zhou团队利用了全面的分子遗传分析、各种性别类型和基因型之间的全面基因组表达谱，以及定量活成像共聚焦显微镜分析细胞分裂。这种方法在Zhou的实验室创新，使研究人员能够监控Ceratorpteris蕨类植物中单个细胞的分裂和向不同器官的分化，同时保持植物的正常生长。
利用这种技术的早期研究结果已发布在2022年《生物通讯》期刊上。《当前生物学》和《生物通讯》研究的第一作者是Yuan Geng，他是普渡大学Zhou实验室的博士毕业生，目前在加州理工学院担任博士后研究员。
这项《当前生物学》研究是Zhou和他的团队自到普渡以来研究成果的最新进展。Zhou旨在探索植物保持干细胞分裂和促进器官形成的细胞和分子策略。这些过程在多细胞生物中的平衡提出了许多问题。
“在我的实验室中，我们已经建立了两个模型系统来探索这些问题，”Zhou提到。一个模型是蕨类植物Ceratorpteris——一种非种子植物。另一个是拟南芥的芽分生组织，拟南芥是开花植物的模型。在2018年发表在《科学》期刊和2020年发表在《自然通讯》期刊的与拟南芥相关关于干细胞和HAM家族基因的研究中，Zhou的团队发现了可以利用的调节原则，以增强芽分生组织的功能并提高作物产量。
虽然Zhou的调查并不特别针对农业作物，但所获得的见解可能有助于改善生物量以用于能源以及提高粮食生产产量。此外，对干细胞动态的更深入理解可能最终通过再生疗法或干细胞衍生的器官帮助人类健康。
“所有这些领域与干细胞分裂和分化的基础机制密切相关，”Zhou表示。“我们从这个模型系统获得的基本知识肯定可以被利用来提高生活质量。”
作为维管植物，蕨类植物和种子植物通过专门的组织运输水分和营养。然而，蕨类植物通过生产孢子繁殖，而不是像种子植物一样通过种子繁殖。
蕨类植物和种子植物在数亿年前分化为不同的谱系，在这漫长的时期中，HAM基因家族仍然在努力保持分生组织细胞的未分化状态。
“虽然这些基因在不同植物物种中有时与不同信号通路相互作用，但它们最终在细胞和发育层面朝着相同的目标努力。这有些出乎意料，并为我们的持续研究开辟了新的探讨方向，”Zhou表示。
这项研究得到了国家科学基金会（NSF）的支持。Zhou团队的植物模型干细胞研究目前得到了NSF和国家卫生研究院的资助。
