植物学家发现新基因，有望突破营养物质运输瓶颈，提高农作物产量

可持续地提高农作物产量，是世界各地的植物科学家研究的热点问题。

其中采取一系列不同的策略，提高植物在不同部位之间运输糖、蛋白质和其他有机营养物质的效率，可能是下一场绿色革命的途径之一。

深入了解影响植物体内本地和远距离运输的因素，可使植物生物技术人员在未来培育出更高产的作物。最终，有机营养物质有可能直接运输到植物被收获的特定部位(如种子、水果和贮藏块茎等)。

剑桥大学和波尔多大学的植物学家6月10日发表在《Nature Plants》杂志上的最新研究结果，离上述目标更进一步。

研究团队发现韧皮部卸载调制器(PLM)，一种新的基因，改变连接相邻的植物细胞胞间连丝通道，影响营养物质的通过。这些纳米尺度的膜内衬通道穿过细胞壁屏障，将植物细胞连接在一起，使基本物质得以转移 (见知识点)。

图片来源于百度百科： 木本植物茎的结构

研究显示，缺失PLM基因的拟南芥突变植株根部的韧皮部(一种专门用于长距离运输的组织)释放出更多的物质。利用荧光蛋白作为大分子的替代物，科学家们发现PLM基因对韧皮部卸载量有明显的控制作用。为了弄清楚基因是如何做到这一点的，他们观察了在幼苗根部的不同细胞界面上发生情况。

PLM具体作用于韧皮部极周细胞(PPP)与内胚层细胞之间的界面上，是物质卸载后径向运动的重要界面。敲除PLM基因活性可以使植物更快、更高效地将营养物质运送到需要的地方。

随着卸载量的增加，突变植株的根系生长得更快、更长。

图片来源于论文

进一步的分子和遗传学研揭示了PLM参与鞘脂类的生物合成，鞘脂类是一类与植物发育和对环境的反应有关的脂类。此前曾证明，胞间连丝膜富含鞘脂质，但这是首次将鞘脂质与胞间连丝功能联系起来的研究。

下一步工作将是确定PLM如何影响细胞间传导性。研究小组观察已证实了PLM并没有影响胞间连丝密度；还证实PLM并没有改变胼胝质的积累，而胼胝质是唯一已知的调节胞间连丝通透性的物质。

利用电子断层扫描技术在纳米尺度上绘制通道的三维图，可检测到纤间质膜结构的细微变化。结果在突变体和野生型植物中均发现了相同比例的单根和分枝胞间连丝。然而，没有PLM的植物只有I型间连丝(见知识点)，而不是通常发现的两种类型。以前的模型假设细胞质套筒的大小(胞间连丝中内质网和细胞膜之间的距离)将与运输能力呈正相关。该论文的结果向这一观点提出了挑战，表明I型胞间连丝，那些细胞质套筒很窄的胞间连丝，实际上比II型胞间连丝传导性更高。

在未来的研究中，仍有许多新问题需要回答，比如，缺乏细胞质套筒的胞间连丝如何以及为什么会有更传导率，以及它们的新陈代谢如何。

总之，这项研究促进了我们对调节植物养分运输的因素的理解。迫切需要发展营养效率提高的作物，以减少肥料的使用和增加作物的产量。我们可能最终能够利用营养运输的信息，更有效地在不同器官之间分配营养，并将营养从茎叶直接输送到水果和贮藏器官。

知识点

胞间连丝:细胞间的运输通道

胞间连丝是一种纳米尺度的膜层通道，它穿过细胞壁屏障，将植物细胞连接在一起，并通过胞间连丝传递重要物质。胞间连丝在植物生长发育、抗病性和抗逆性等方面起着重要作用。

胞间连丝的结构

在新细胞中形成的原代胞间连丝是狭窄的单通道结构，而在较老的组织中形成的次级生胞间连丝往往是较宽的分支结构。然而，胞间连丝并不是简单的孔洞---它们是一种动态结构，根据大小排除原理控制分子在细胞间能或不能通过什么。它们由质膜(PM)包裹，并含有管状内质网(ER)膜。这两层膜之间的间隙称为细胞质套筒。先前的模型假设ER和PM之间的间距与渗透率之间存在直接的联系，较大的间隙更具有传导性。

胞间连丝的类型

Nicolas等人于2017年提出了一种新的基于ER和PM之间距离的描述胞间连丝的分类系统。I型胞间连丝存在紧密贴壁的膜，两者之间没有可见的细胞质间隙(狭窄套筒)。相反，II型胞间连丝具有明显的ER-PM间隙(开口套管)。尽管缺少套筒(在传统模型中被视为运输路线)，I型被证明可以让分子通过。这项最新的研究不仅支持了这一观点，而且还表明I型胞间连丝比II型间连丝更有传导性。

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参考资料：

1. Scientists discover gene that could help us grow crops faster

2. Sphingolipid biosynthesis modulates plasmodesmal ultrastructure and phloem unloading. Nature Plants

3. 百度百科

4. Science News