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我发现了植物细胞分裂新关键

科学松鼠会 · 公众号 · 科学 · 2016-11-14 19:00

正文

冷月如霜

松鼠名片

月如是二十一世纪最不缺的人材——生物狗。TA在读博士的过程中幡然醒悟，义无反顾地加入了科学传播大军，完成了“科学松鼠会成员 -> 果壳网作者 -> 十五言撰稿人”的转职任务。目前TA住在离海边10分钟车程的地方，与两只猫一起过着写写字，看看剧的生活。

无论动物还是植物，多细胞生物都是从一个受精卵发育而来。随着受精卵不断进行细胞分裂，不同的组织、器官逐渐形成，并最终发育成一整个个体。没有分裂，就没有如此绚烂多彩的生命。

动物细胞和植物细胞形态上的差异，让它们的分裂机制不尽相同。在动物细胞分裂的过程中，母细胞会采取“瘦腰”策略。它们的中间会逐渐凹陷，勒着勒着就勒断了，将细胞一分为二。

快要一分为二的两个动物细胞。图片来源：leavingbio.net

然而，植物细胞的表面有着一层坚硬的细胞壁，这让它们无法采取和动物细胞一样的策略。

植物细胞是很机智的，外部不能硬来，就从内部做文章。在细胞分裂时，它们就在细胞内部闷声合成新的细胞壁。随着肚子里的细胞壁越长越大，现有的细胞壁与新长的细胞壁融合到了一起，细胞分裂也就完成了。

植物细胞分裂图。图片来源：wiki.district87.org

那么问题来了，细胞壁怎么就能这么张爱玲——没有早一步，也没有晚一步，刚巧出现在要分裂的植物细胞里呢？

寻找影响细胞壁合成的基因

为了回答这个问题，我们做了第一个假设：植物细胞分裂时，会激活一些主管细胞壁合成的基因。

为了验证这个假设，我们的合作伙伴找到了一群正在快速分裂的细胞，检查了它们内部的基因表达情况。实验结果表明，已知的一些细胞壁合成基因的确出现了激活。在其中，我们发现了一个叫做CSLD5的有趣基因。从蛋白质的序列来看，它与已知的纤维素合成酶非常接近，而纤维素也正是植物细胞壁的主要成分。它好像专门为细胞分裂而生似的，只在分裂最旺盛的时候才被激活。一旦细胞分裂完毕开始生长，它就变得不活跃了。

很好，你成功地引起了我的注意。（良辰脸）

既然你那么特别，一定起了很关键的作用吧？果不其然。在除去了CSLD5基因的植物里，我们发现细胞壁出现了漏洞，细胞的数量也明显变得更少。这些结果表明，缺乏CSLD5会影响细胞壁合成，从而进一步影响细胞的分裂。

正常植物细胞（左）；缺少了CSLD5的植物细胞（中）；同时缺少CSLD2和CSLD5的植物细胞（右）。箭头所指的是惨不忍睹的细胞壁漏洞……心疼最右…… 图片来源:作者提供

我们又立刻把目光转向了CSLD5的兄弟——CSLD2和CSLD3基因。这三个基因都在植物内广泛存在，后两者是否也会对植物细胞壁的合成造成影响呢？我们发现如果单独敲除CSLD2或CSLD3，植物的细胞壁还能够保持完整。但一旦同时缺少CSLD2/CSLD5，或CSLD3/CSLD5，细胞壁的缺失情况就会急剧恶化。与此同时，这些植物会变得小得可怜，往往活不到传宗接代……

正常拟南芥（左）；缺少了CSLD5的拟南芥（中）；同时缺少CSLD2和CSLD5的拟南芥（右）。可以看到，少了CSLD5，植物就变小了。少掉CSLD2与CSLD5后，植物简直变成了霍比特人……（白色横杠代表1厘米）。图片来源:作者提供

这些现象告诉我们，在这三个CSLD基因中，CSLD5在细胞分裂的过程里起到了主要的作用，而CSLD2和CSLD3同样有着贡献。它们的作用范围可以影响到整个植物。

好蛋白：随叫随到，使命必达

那么下一个问题来了，这些基因是怎么影响细胞壁合成的呢？为了观察它们编码的蛋白质在植物细胞分裂过程中的作用，我们把它们都给连上了荧光蛋白，然后观看它们的动向。这一看就看到了不得了的事情……

在细胞分裂前，CSLD5蛋白在细胞内基本看不着，然后它们说出现就突然出现了，而且直接聚集在新合成的细胞壁上。为了了解它出现的具体时间，我们又引入了能够指示染色质的一个荧光融合蛋白。我们发现，当染色体完成复制，开始往两个子细胞移动时，CSLD5就出现了。这说明在细胞有丝分裂后期的第一时间，它已经开始（准备）合成细胞壁。

绿色的CSLD5蛋白，总是在细胞壁合成的时候出现。图片来源:作者提供

嗯，这里送上小电影一份。红色的是染色质（由CYCB1:1-GFP标记），绿色的是CSLD5蛋白，蓝色的是细胞膜（由FM4-64标记）——这些颜色都来自荧光蛋白标记。我每30秒拍一帧，一共拍了大概2-3小时，才得到这样一个小电影。

不要问我花了多少时间摸索植物活体摄影的条件，也不要问我有多少次植物拍着拍着就突然死了。太伤感情了……

观看了无数个小电影后，我们确认CSLD5蛋白在细胞分裂结束后就消失了，“挥之即去”是它所独有的特性。我又找到了其他两个能分布在新生细胞壁上的蛋白，并确认在细胞分裂结束后，它们依旧存在。

难道植物细胞也会玩过河拆桥这一套？

渣植物：分裂完毕，随手抛弃

我们又做了第二个假设：如果CSLD5是一个不稳定的蛋白，那么倘若我们用试剂阻碍新蛋白质的产生，旧的去了，新的不来，CSLD5蛋白总量应该就会越来越少。同样的，如果我们用试剂去阻碍CSLD5蛋白的降解，旧的不去，新的继续来，它应该会越来越多才对。

预测再好，也要实证。通过实验，我们验证了这两点。这也进一步说明CSLD5确实易被分解。

CSLD5蛋白与突变的BRI1-9蛋白一样，非常不稳定。24小时内，条带越来越浅，代表蛋白变少了许多。而用来做对照的Tubulin蛋白则始终没什么改变。图片来源:作者提供

我们也用另外的手段，找到了一些其他基因。它们会影响细胞分裂过程中蛋白质的降解。如果CSLD5的降解受这些基因控制，那么当这些基因突变后，CSLD5或许就不会降解得那么快了。

幸运的是，我们找到了一个叫做CCS52A2的基因，它的突变会让CSLD5变得稳定。

最后，我们在一系列连续分裂的细胞中，发现CSLD5的荧光的确呈递减的趋势。

细胞按1-2-3的顺序分裂，越早分裂完的细胞里，CSLD5的荧光越弱。图片来源:作者提供

这些实验结果表明，在细胞分裂结束后，CSLD5的确是被过河拆桥了……

关于植物细胞分裂的研究已经有了很多，与新生细胞壁有关的多糖合成酶也有不少。但CSLD5是首个被证实和细胞周期有着显著关联的蛋白，它表明在植物细胞分裂的过程中，新细胞壁的合成受着非常严格的控制。

意义？读博需要意义吗？

这项研究对现实生活有什么意义呢？细胞分裂对于任何一种多细胞生物来说都至关重要，而和植物相关的研究或许能帮我们更好地改造作物，为人所用。此外，细胞壁中的纤维素是重要的工业材料，也可以被用于生物能源。

但我并不是为了这些目的去做这项研究的。如果说它对我个人的意义，那或许就是极大地满足了我的好奇心。刚加入实验室时，CSLD5还是一个没多少人关注的基因。但通过大胆假设和小心验证，我们用六年的时间为它讲了一个精彩的故事。

我是全世界第一个认识到它在细胞分裂过程中的作用的人，也是全世界第一个注意到它在细胞分裂过程中聚集到新生细胞壁，在分裂结束后又会被降解的人。自然始终在对人类私语，而我第一个听懂了它长篇大论中关于CSLD5的那句。

这些新发现让我兴奋不已。虽然它只是植物细胞生物学领域内一个极小的推动，但正如Matt Might那副著名漫画《Ph.D.到底是什么》说的那样，人类认识的疆域，正是因无数人的一点点推动而不断增长。而我亦用生命中的六年，推动了我们对自然的一点点认识，这正是读博的意义，不是吗？

嗯，就是这么一点点~ 图片来源：Matt Might

（编辑：游识猷；排版：小岚欧欧）

参考论文：Gu, Fangwei, Martin Bringmann, JonathonCombs, Jiyuan Yang, Dominique Bergmann, and Erik Nielsen. "The ArabidopsisCSLD5 functions in cell plate formation in a cell cycle dependent manner."The Plant Cell (2016): tpc-00203.

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