Science：植物如何生长和发育？

一小团看似相同的细胞，如何发育成一株具有茎、叶和花的完整植物？很长一段时间以来，植物组织的形成机制仍不明确。荷兰瓦赫宁根大学的生物化学家们，通过他们的模型构建同事用数学工具箱模拟植物发育，找到了这个问题的答案。他们在2014年8月8日的《科学》（Science）杂志描述了共同发现的机制。

与动物不同，植物无法移动，固定在土壤中。同样，植物细胞也是固定不动的。动物早期发育的特点是细胞迁移，而植物细胞却紧密地连接在一起。因此，植物胚胎主要通过三个方向的严格定向细胞分裂而生长。同时，这些细胞群需要获得特定的“特性”，这些特性最终将引起如木材或维管组织的形成。到目前为止，这两个关键的生长和模式形成过程，在组织形成期间如何以一种组织保持稳定的方式（尽管连续的细胞分裂）受控？还是完全不清楚。研究人员发现，当胚胎只包含四个维管前体细胞时，维管组织的模式形成就已经发生。

瓦赫宁根大学生化实验室的研究小组表明，在植物维管组织发育过程中，一个基因网络控制着细胞分裂的方向。这个网络打开一组可引起植物激素——细胞分裂素生产的基因，反过来，又调节细胞分裂和分裂的方向。研究人员Bert De Rybel解释说：“不过我们被困住了。我们想不出一个实验能够表明，这个基因网络同时控制着模式的形成。”这个时候，系统生物学实验室的数学建模者引起了大家的注意。Milad Adibi说：“我们想知道，是否这四个原始细胞真的是相同的。是否这四个维管细胞是相同并完全对称的。”

因此，Bert De Rybel和同事再次检查他们已经得到的显微图像。“让我们感到惊讶的是，我们四个初始维管细胞的图像显示，细胞不会在一点上相互接触。两个相对的细胞共有一小块细胞壁。这样，它们不同于其他两个细胞。我们甚至可以从1995年的旧记录上看到这种细胞连接。建模者指出，在理论上肯定存在该连接，在此之前从没有人看到这个。”

植物激素

因此，四细胞阶段不是简单的一团相同细胞。所以，模式形成的秘密就是，一个共同的细胞壁连接，结合植物激素生长素浓度的一个轻微差异。这些研究人员发现的基因网络，确保四个细胞进一步发育成一个包含不同细胞类型的完整维管组织。研究人员可以进一步表明，在生长素含量高的那些细胞中，这个网络的局部活性，可导致邻近细胞的分裂，从而充当整个组织的一个组织者。因此，相同的基因网络通过定向细胞分裂，控制着生长和模式形成，从而引起不同的细胞类型。

根据Dolf Weijers和Christian Fleck介绍：“这是一个协同作用的模型案例，在该案例中，将实验生化和遗传学研究与理论数学模型相结合，可带来全新的见解，没有一个研究小组仅通过自己就能做到这一点。”

（生物通：王英）