10月22日，西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院趙峰教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)及中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所多家單位，在植物生殖發(fā)育領(lǐng)域取得最新原創(chuàng)研究成果。該成果以“擬南芥花藥中生殖細(xì)胞特化的力學(xué)調(diào)控”（Mechanical contribution of germ cell specification in Arabidopsis anthers）為題在《Science Advances》（科學(xué)進(jìn)展）期刊發(fā)表。
在多細(xì)胞生物中，生殖細(xì)胞的準(zhǔn)確形成是生命延續(xù)的核心基礎(chǔ)。在植物體中，生殖細(xì)胞由體細(xì)胞前體分化而來(lái)，其過(guò)程受到嚴(yán)格的遺傳和生化信號(hào)調(diào)控。然而，除基因、激素等已知因素外，物理性機(jī)械力是否參與、以及如何影響生殖細(xì)胞分化，始終是該領(lǐng)域未被深入探索的關(guān)鍵科學(xué)謎題。
為破解這一謎題，研究團(tuán)隊(duì)整合多種先進(jìn)技術(shù)展開(kāi)系統(tǒng)性研究。通過(guò)四維活體成像、原子力顯微鏡、布里淵顯微鏡等力學(xué)測(cè)量與細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)：雄性生殖細(xì)胞誕生于一個(gè)特殊的力學(xué)微環(huán)境。具體而言，在花藥發(fā)育早期，內(nèi)部生殖細(xì)胞相較于外層體細(xì)胞，具有更快的擴(kuò)張速率和更柔軟的細(xì)胞壁，這使得組織內(nèi)部形成了“由內(nèi)向外、由軟到硬”的剛性梯度。這種生長(zhǎng)速度與細(xì)胞壁硬度的不均，會(huì)導(dǎo)致快速生長(zhǎng)的內(nèi)部生殖細(xì)胞前體向外推擠，使其自身處于受壓狀態(tài)，而外層體細(xì)胞則承受張力，最終在花藥組織內(nèi)形成“機(jī)械沖突”。
圖1.擬南芥生殖細(xì)胞在特殊的力學(xué)微環(huán)境中產(chǎn)生
為進(jìn)一步驗(yàn)證力學(xué)信號(hào)的功能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了力學(xué)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，人為改變花藥內(nèi)部的力學(xué)微環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這類(lèi)力學(xué)干預(yù)會(huì)顯著破壞組織內(nèi)的生長(zhǎng)梯度和細(xì)胞壁剛度異質(zhì)性；更關(guān)鍵的是，這種破壞會(huì)通過(guò)影響核心轉(zhuǎn)錄因子SPL/NZZ的轉(zhuǎn)錄，直接導(dǎo)致生殖細(xì)胞無(wú)法正常形成。后續(xù)研究進(jìn)一步證實(shí)，SPL/NZZ正是創(chuàng)建花藥內(nèi)部力學(xué)環(huán)境的關(guān)鍵調(diào)控因子。
基于上述系列發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了植物生殖細(xì)胞誘導(dǎo)的“力學(xué) - 化學(xué)耦合模型”。該模型指出SPL/NZZ通過(guò)軟化細(xì)胞壁，啟動(dòng)有利于生殖細(xì)胞生長(zhǎng)的微力學(xué)環(huán)境；而這個(gè)環(huán)境產(chǎn)生的力學(xué)信號(hào)，又會(huì)反過(guò)來(lái)穩(wěn)定并維持SPL/NZZ的表達(dá)。這種“力學(xué) - 化學(xué)”反饋回路，最終確保了生殖細(xì)胞命運(yùn)的穩(wěn)健分化。
圖2. SPL/NZZ介導(dǎo)的力學(xué)-化學(xué)反饋回路控制雄性生殖細(xì)胞分化
該研究的核心價(jià)值在于，首次系統(tǒng)揭示了機(jī)械力信號(hào)在擬南芥花藥雄性生殖細(xì)胞命運(yùn)決定中的關(guān)鍵作用，并創(chuàng)新性提出由SPL/NZZ介導(dǎo)的力化耦合模型。這不僅為理解植物生殖發(fā)育提供了全新視角，也為后續(xù)探索機(jī)械力在植物生長(zhǎng)調(diào)控中的廣泛作用奠定了基礎(chǔ)。
西北工業(yè)大學(xué)博士后劉嬋為論文第一作者，在讀研究生石慧、韓雨婷和王潘為論文共同第一作者，西北工業(yè)大學(xué)趙峰教授和陳文倩助理研究員為論文共同通訊作者。北京航空航天大學(xué)劉肖團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)白書(shū)農(nóng)團(tuán)隊(duì)以及中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所韓華團(tuán)隊(duì)參與了本項(xiàng)目的研究。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、博士后基金等項(xiàng)目的資助。
（文字：劉嬋、陳文倩、賈倩；圖片：劉嬋、陳文倩；審核：張敏喬）
