在植物如何制备用于繁殖的性细胞方面发现了新的关键阶段

鸟儿做到了。蜜蜂做到了。植物也这样做。并且有充分的理由：有性生殖已经演变成大自然的方式来改变卡的基因组，可以这么说。这种改组实际上是在生物制造性细胞(精子和卵子)之前开始的。在这个过程中，称为减数分裂，匹配从生物体的母亲和父亲交换切片遗传的染色体，产生与父母任一基因不同的细胞。这种遗传重新调整产生了各种各样的特征组合，可以为后代“赢得”，使他们具有竞争优势。

然而，与动物相比，植物进入这种减数分裂改组的方式知之甚少。作为胚胎，动物将所谓的细胞系用于未来的减数分裂，但是植物会延迟招募细胞直到发育很晚，即使这样，它们也会将这项工作分配给每朵花内的少数细胞。

现在，在一项新的研究中，斯坦福大学的研究人员已经构建了玉米或玉米细胞的细胞时间线，这些细胞经历了减数分裂过渡。“我们采用了一种新的方法，以前所未有的方式研究玉米的主要生命周期转变，使我们能够在这种转变过程中发现阶段，”弗吉尼亚州沃尔博特实验室的博士后研究员布拉德·尼尔姆斯说。斯坦福大学人文与科学学院生物学教授，并与她一起研究这项研究。

发表在4月5日出版的“科学”杂志上的研究结果显示，玉米减数分裂的途径随着基因的开启而顺利进行，然后在最早的减数分裂期间被活跃的两次急剧跳跃所打断。更一般地说，结果还证明了如何通过带来新颖的工具，在旧的，先前检查过的生物过程(例如减数分裂)上放弃新的光。这种方法的影响远远超出了植物生命的范畴。

“减数分裂主要通过关注染色体结构的变化进行检查，”Nelms说。“我们通过基因表达来观察减数分裂，发现这提供了补充信息。”

沃尔博特补充说：“我们的论文中有一点是，在减数分裂过程中观察细胞生理学的不同方面是有价值的 - 用一种方法检测不到的变化可能与另一种方法很明显。这一发现在其他生物体中可能是正确的，包括人类。”

玉米出现并繁殖

Nelms和Walbot开始他们的研究，收集在斯坦福大学校园温室里种植的玉米。研究人员随后分离出微小的管状器官(称为花药)，其中通过减数分裂产生的孢子最终发育成花粉。

在一周的时间里，研究人员跟踪了收集的生殖细胞的发育情况，因为他们准备进行减数分裂。使用称为单细胞RNA测序(scRNA-seq)的技术捕获遗传视角下的细胞质细节。RNA是DNA中基因和基于遗传蓝图构建蛋白质的细胞工厂之间的分子信使。scRNA-seq捕获细胞内表达的所有信使RNA的快照，以及它们在一个时刻的相对浓度。通过将同一细胞的不同快照拼接在一起，科学家们可以生成详细的时间线，显示不同蛋白质在细胞过程中如何打开和关闭 - 在这种情况下是减数分裂。此外，具有相似遗传身份的细胞可以组合在一起并随时间跟踪。

科学家发现，最显着的变化发生在细胞完成减数分裂的准备工作并开始进入其最早阶段。在两个时间点，大约四分之一表达最多的基因在其活动水平上改变了两倍或更多。研究人员推测，基因表达的双重跳跃与减数分裂过程中染色体结构的变化以及细胞分化程度较大有关，因为细胞为后来的花粉发育做好了准备。

为了更多地了解这些跳跃，Nelms和Walbot还研究了玉米突变体的减数分裂。在一个突变菌株中，生殖细胞周围的非繁殖细胞不能成熟。在另一个突变体中，生殖细胞通过减数分裂的进展脱轨。然而，在这两种情况下，基因活动中新发现的障碍仍在发生。这表明观察到的尖峰不需要来自相邻细胞的信号，并且即使其余的减数分裂失败，性细胞仍然执行其硬连线发育计划。

“我们是第一个记录玉米减数分裂期间基因表达的双重增加，但它们也可能在其他生物体中发生，”沃尔博特说。

对植物，动物和我们的影响

该研究为在植物花粉发育过程中跟踪早期事件提供了路线图。更好地处理减数分裂开始也可以帮助植物育种者更好地混合和匹配遗传组合，以创造具有理想特性的新作物。减数分裂过程中的遗传重排是低效的;在染色体之间确实发生的少数交换通常是一种粗糙的变种，涉及大量移动的邻近基因块。“想象一下打牌并削减牌组而不是在比赛之间进行改组 - 每场比赛都会有点类似于上一局，”Nelms说。

关注植物细胞如何适应的细节，然后进行减数分裂，可以指出如何将尺度倾向于更多的基因重组 - 或者相反。除了混合特性外，育种者还面临着固定特征的逆向挑战;也就是说，确保他们的未来作物继承。期望性状的实例包括提高产量的干旱和抗病性，或更高的营养价值。

“更好地了解减数分裂可能会提供消除基因重组的方法，”沃尔博特说。“在这个过程中，植物产生与亲本植物相同的种子，将有利特性的组合传递给所有后代并使我们的消费者受益。”

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