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科普武陵

中国科学家发现全新细胞类型,植物也可以动起来了!

来源:科普中国微信公众号 发布时间:2023-09-14 09:20 【字体:
    我们生存的世界因为花草树木等各类植物的存在而变得五彩缤纷。与人一样,花草树木也是有生命的。而生命在于运动。


你能想到平时看到安静生长的植物也有它们自己的运动方式么?最近,发表在《国家科学评论》(National Science Review)杂志上的研究表明植物也能自己运动,而它们的运动与它们自身内部的细胞组成有关


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收缩细胞:植物运动行为的新发现


细胞是生物体基本的结构和功能单位,是维持生命活动的最根本部分。植物细胞一般由细胞壁、细胞膜、细胞器、细胞核等组成。近期,中国科学院植物研究所王印政研究组发现了一种全新的细胞类型,即充满水敏性粗面内质网的收缩细胞,它与常规的细胞不同,直接决定了植物能自己运动这一行为


斑叶唇柱苣苔Chirita pumila也称“斑叶草”,是一种隶属于苦苣苔科的植物,其叶子上有斑纹形状,外观较奇特,它们的生长周期较短,植株矮小,能够自花授粉。斑叶唇柱苣苔通常被植物学家们用来广泛研究。


斑叶唇柱苣苔,图片来源:Flickr,拍摄:Nicholas Turland


植物一般不能发生自主运动,但是植物学家在研究斑叶唇柱苣苔的过程中,却发现斑叶唇柱苣苔的柱头在接触水后具有自发运动的特性。


为了探索原因,科学家将斑叶唇柱苣苔的柱头进行了解剖分析。在显微镜下发现,斑叶唇柱苣苔的柱头由乳头细胞、维管束、薄壁细胞和背面表皮组成。而它们的维管束上竟有高达 10 层的细胞,占了层板厚度的一半。


在柱头接触水呈现开放和闭合状态时,这些细胞的形态存在着明显差异。由此可见,这些细胞的本质是区别于薄壁细胞的,植物学家将其定义为收缩细胞。


斑叶唇柱苣苔柱头的开闭状态图 


借助冷冻电镜对收缩细胞进行表征,显示这些细胞内部呈现网状结构,与常规的细胞不同,细胞核在细胞的边缘而非中心。


(A)柱头解剖图,(B)柱头正面,柱头的上部闭合,下部展开,向外侧开成 60? 角,(C)正面闭合柱头,(D)柱头背面,(E)柱头侧面,(F)开和(G)闭柱头的纵向解剖切片,(H)开和(I)闭的部分切片放大图。图片来源:参考文献[1]


当柱头吸水时,收缩细胞的体积会加大,形态上与初始状态相比会拉长超过 8 倍,说明收缩细胞内部有对水敏感的物质,接触水后这种膨胀的行为使细胞体积扩大,这与柱头的伸长和收缩运动是紧密相关的。


同时,借助于电镜和荧光实验对细胞进一步分析,显示细胞的网状结构的本质是粗面的内质网,网状结构上嵌有核糖体。此外,实验观察到斑叶唇柱苣苔的柱头在开合运动时,收缩细胞也会随着运动,由此可见,两者是紧密相关的。


收缩细胞结构,(A~H)冷冻与透射电镜下的(A~D)收缩细胞和(E~H)薄壁细胞,荧光实验表征(I、J)薄壁细胞和(K、L)收缩细胞,(M)细胞的荧光信号,(N~Q)柱头开合运动。图片来源:参考文献[1]


会动的植物其实有很多!


会动的植物远不止上面所提到的斑叶唇柱苣苔,实际上,很多我们生活中常见且无比熟悉的植物也是“运动员”。


1

向日葵


“向阳而生”,是我们对向日葵的常规认识。由于太阳光照射会直接影响向日葵内部的生长素分布情况,进而影响细胞生长情况。因此,为了更好地接受到太阳辐照的光线,向日葵会随着太阳运动。


向日葵。图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷


2

含羞草


当我们触碰到含羞草的叶子时,由于受到外界的刺激,它们的叶柄会下垂,进而合并上叶子。过了一段时间后,它们的叶子又会自己打开,恢复原状。


之所以存在这样的运动,是和它们叶子上下部分的细胞结构有关,上部的细胞壁更厚且细胞更密,下部的更薄且细胞分布更疏。因此在外界刺激之下,下部的细胞透性快速加大,叶子便会下垂闭合了。


含羞草。图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷


3

合欢花


除了向日葵和含羞草之外,六七月份公园随处可见盛开的合欢花也会运动。在白天时,合欢花会在草丛中肆意绽放,但一到夜间便会悄悄地闭拢,这与它们的感夜性有关。当它们感受到外界光线的变化时,便会随之发生运动。


合欢花。图片来源:wikipedia


结语


世界之大,不同的生命都有独特之处,会动的植物是不是让你的眼前一亮?


找一个宁静的午后,伴着和煦的阳光和轻柔的微风,观察这些绿意的悄然变化。或许在观察中,你就能渐渐走入生物变化的奇妙大门。



参考资料

[1] Yin-Zheng Wang and others, A new type of cell related to organ movement for selfing in plants, National Science Review, Volume 10, Issue 9, September 2023, nwad208.

[2] 刘柏玲.斑叶草(Chirita pumila)遗传转化体系的建立[D].中国科学院大学,2013.

[3] 孙智敏.植物运动探因[J].化石, 1997(1):2.DOI:CNKI:SUN:HSZZ.0.1997-01-016.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨石雾遥 生物学博士

监制丨中国科普博览

责编丨林林、金禹奋(实习生)

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