生物学

塑造收获:什么决定作物形状?

不同作物的形状千差万别,无论是西红柿这样的水果,还是胡萝卜这样的蔬菜。最终,一个植物器官的外观是由不同的细胞控制机制决定的。然而,尚不清楚这些机制在植物界的不同物种中是否相似。乔治亚大学教授Esther van der Knaap博士和她的团队已经研究了作物形状的变化是如何被跨物种保守的细胞机制控制的。

你觉得西红柿的形状如何?如果您仔细查看不同类型的西红柿,您可能会注意到可以有各种尺寸以及形状。虽然一般观点可能是大多数西红柿有些圆形,但它们实际上可以是扁圆形,梨形,卵圆,鱼雷形和贝椒形状,也很小,中等或大的尺寸。而且,你有没有想过为什么番茄,茄子,胡椒和马铃薯的作物形状,都是来自同一家族的差异很多?或者为什么来自不同家庭的庄稼可能具有相似的形状?这是Esther Van der Knaap博士和她的团队的重点是由国家科学基金会和美国农业部资助的。

DNA是品种的味道
西红柿大小和形状的多样性完全与基因有关——就像你的家庭成员可能因为基因而与你不同。基因是DNA(任何生物细胞内的分子)中的一组编码指令。指令各不相同,从生物体的任何部分应该是什么形状或大小,到生物体应该如何表现,或它有什么品质(特征)。基因被翻译成一种称为蛋白质的分子,这种分子产生了生物体的特性。基因是从生物体的母体遗传而来的,所以在植物的例子中,母体植物繁殖出下一代,因此基因被复制。

从狩猎采集时代开始,人类就开始种植植物来满足自己的需求。这导致了作物形状和大小的巨大多样性,这取决于人类所需的感官质量。没有种植过的野生水果都很小,所以它们的种子很容易被吃它们的动物传播,从而确保了它们的演替。然而,早期人类可能想要更大更美味的果实,因此根据这些特征选择了植物。更大的水果也会导致形状的变化,导致水果大小和形状的变化。这些变异是由繁殖过程中的基因混合以及进化变化引起的。

微管(标有绿色荧光蛋白)为植物细胞提供结构和形状。

是什么特定的形状?
“形状”一词在生物学中被定义为外在的形状/外观。以植物为例,它指的是植物(器官)的一部分是什么样子,无论是叶子、花、果实还是根。像水果这样的器官是由组织构成的,而组织又是一组细胞。细胞是生命的基本组成部分,有许多重要的特性,其中之一就是分裂,允许组织生长。在植物细胞中,最外层的结构是细胞壁,这在动物细胞中是缺失的。细胞壁决定了植物细胞的形状和形态,决定了它是长、高还是圆。细胞壁的组成部分是由细胞骨架调节的,细胞骨架是许多蛋白质纤维(如微管)的术语,它运输蛋白质和膜包层,并促进细胞分裂。同时,细胞骨架和细胞壁使细胞分裂和扩张的正确数量得以实现,从而实现生长和器官的形状。

细胞壁决定了植物细胞的形状和形态,决定了它是长、高还是圆。

细胞壁和细胞骨架的组成和功能受到在细胞功能核心的基因的调节。水果的外观(如番茄,来自受精的花)或蔬菜(如土豆(如植物的植物的可食用部分)由调节其尺寸,形状,颜色和颜色的基因确定作品。虽然许多常见基因导致类似的花和植物结构,但其他基因与每个成员(例如番茄,茄子,胡椒)不同,导致各种水果或蔬菜的口味,例如辣椒中仅发现的辣辣椒素。外表怎么样?跨种类常见的基因导致类似的外表吗?Van der Knaap博士及其同事的最近调查结果发现番茄和土豆共同的基因控制它们的形状。

ov太阳TRM.基因家族通常与作物植物中的控制形状相关。

外表很重要
作为着名的诗人John Keats写道,“美丽的东西永远是一种快乐。”对于我们人类的日常生活来说,这是真的,因为我们可能会被更美丽的东西所吸引,而不是那些不是不是。例如,大多数人宁愿挑选一个具有完美形状的番茄,而不是一个误形的番茄。什么控制这些形状的水果?

西瓜和黄瓜种子荚分别由太阳和TRM系列控制。

在科学家被认为是调节水果形状的几种基因中,ov科在高等植物中很常见。在番茄中,这个家族创始成员的突变,ov,长出椭圆形、长方形或梨形的果实。番茄果实的形状也受其控制太阳基因,首先被van der Knaap博士和同事发现;这种基因的突变导致果实非常细长和锥形。太阳是不同基因家族的成员,在不同的植物中都很常见。SUN蛋白属于与微管相关的蛋白家族。在黄瓜和水稻等其他植物中,蔬菜和谷物的形状分别由另一个基因家族控制TRM..Van der Knaap博士和她的团队旨在调查这三个基因家族的蛋白质是否相互作用,以调节番茄水果中的形状形成,以及这是否也发生在其他物种中。

在几个被确定为调节水果形状的基因中,这些基因ov基因家族在高等植物中是常见的。

形成跨物种的分子对话
在最近的工作中,van der knap博士的团队在ov番茄的家庭,叫SLOFP20.来证明它的功能就像ov家庭基因,黄色梨品种番茄(这是梨形因为突变ovSLOFP20)随着量增加而转化SLOFP20,结圆形果实;相反,减少的数量SLOFP20在卵卵单突变体中导致较长的水果。这证实了功能SLOFP20作为另一个ov家庭成员控制果子形状。

更深入地了解作物发展中的形状决定簇的复杂性将导致有针对性的育种,以便为各种目的提供定制的产品。

蛋白质很少在细胞内分离起作用;相反,它们与其他蛋白质相互作用以重新定位或修改其功能。寻找与卵形蛋白相互作用的蛋白质,从而改变其功能,研究人员使用不同的生化实验和显微镜,以发现TRM蛋白在调节果实形状中的作用。已知TRM蛋白调节细胞中微管的组装,最终确定细胞分裂和伸长率。作者发现卵形,SLOFP20和TRM蛋白物理地相互作用以在细胞内的细胞质/细胞核/细胞骨架之间重新分配。使用烟草植物的叶片的进一步实验和卵形/ SLOFP20 / TRM的表达导致作者提出,在不同隔室之间的这种蛋白质复合物的迁移可以确定花卉发育过程中的细胞分裂图案化,从而控制卵巢膨胀和形状。

TRM.基因也决定了稻米的形状。

考虑到古代和现代番茄品种在果实形状上的固有差异,作者利用番茄的祖先种群来证明这两点ov驯化后突变的家庭基因,形成现代卵状异形番茄果实。有趣的是,众所周知太阳吉恩也和ov基因调节这种卵形形状。范德克纳普博士和她的团队有兴趣了解同一基因是否在其他家庭中的植物中也控制了水果和蔬菜。进一步的调查显示类似于的基因ovSLOFP20在甜瓜和马铃薯块茎中与水果的形状有关。此外,在黄瓜和水稻中,某些TRM蛋白具有与OVATE蛋白相似的功能,也控制着形状。他们提出,OFP和TRM蛋白的相对数量,以及它们在细胞中的位置,决定了器官形状的结果。TRM蛋白促进水果和蔬菜的伸长,而OFP蛋白促进水果和蔬菜的圆度。因此,van der Knaap博士和她的同事已经证明了OVATE和TRM蛋白家族之间的相互作用在调节来自不相关植物物种的作物形状方面的关键作用。然而,虽然已知SUN蛋白调控番茄、黄瓜和西瓜果实的形状,但OVATE、TRM和SUN蛋白之间的关联机制对番茄器官形状的调控尚不清楚。这并不是番茄水果形状和其他农产品形状的全部故事。其他研究表明,除了番茄,SUN家族成员还能控制黄瓜和西瓜的形状。

鉴于古代和现代西红柿之间的果实形状的固有变化,团队使用祖国的祖传人来表明这两个ov在驯化后突变的家庭基因,形成现代卵状异形番茄果实。

生产未来
尽管已经发现调节植物形态的关键蛋白质家族成员在不同的植物物种上被保守,但仍有可能仍有含有未被发现的蛋白质,这些蛋白质也有助于外观水果,谷物或蔬菜。此外,产品的质量还取决于各种环境和内源性因素,例如温度,水可用性,害虫以及由于这些压力源而波动的激素。通过调节卵形,TRM,太阳和其他蛋白质家庭,这些不同的因素如何影响水果的大小,形状和质量,将塑造农艺的未来。鉴于气候变化在农业收益率下降的作用,有趣的是,如果作物形状随时间反映对不同环境的宽容,则会有趣。更深入地了解作物发展中的形状决定因素的复杂性将导致靶向育种,以便为各种目的提供定制的产品。减少包装。

个人反应

你的研究是什么?

我们想进一步研究蛋白质SUN, OVATE, SlOFP20和TRM5如何在细胞内相互作用以适应番茄果实的形状。它们是驱动细胞分裂的平面,还是通过影响细胞壁过程而更间接地驱动?太阳、ofp和trm不可能单独发挥作用。是否有其他蛋白质,如那些直接影响微管活动的蛋白质,它们是形状通路的一部分?最后但同样重要的是,我们对胡萝卜和甜菜等块根作物的形状是如何控制的知之甚少。有没有可能SUN、OVATE或TRM的成员也调节这些重要作物的形状?我们计划进行实验来回答这些悬而未决的问题。

本文是在研究团队的批准下创建的。这是一个合作制作,由那些特色的支持,免费援助,全球分发。

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