此前塞恩斯伯里实验室(Sainsbury Laboratory)的研究人员揭示了一种分子机制，这种机制使植物能够快速适应其花朵产量，以应对土壤养分水平的变化。一组植物科学家研究了植物将外界环境的信息从根部传递到新芽的过程。结果表明，在不到24小时内，土壤养分的增加会导致芽中干细胞产生反应。实验表明这种快速反应既发生在体外的显微镜水平上，也发生在体外，整个植物开始增加干细胞的生长速度和花的发育，以响应氮以硝酸盐形式的应用。发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究，可以通过调整施肥时机和选择性植物育种来提高作物产量。论文的第一作者Benoit Landrein博士说：硝酸盐的可用性可以影响植物发展的各个方面，这一点已经很确定了。
图片：University of Cambridge
博科园-科学科普：虽然我们知道植物激素细胞分裂素参与了根到枝的交流，但是细胞分裂素在调节分生组织(产生植物所有气生器官的结构)对矿物质营养物质的反应中所起的确切作用却从未被描述过。通过这项研究，提供了分生组织对一个关键环境信号反应的综合模型，通过表明在根中产生的细胞分裂素对营养物质的反应可以改变分生组织中的干细胞池，这导致了花的产量快速变化。在根系细胞检测到额外的硝酸盐后的一天内，细胞分裂素激素前体就在植株中穿行，并在茎分生组织转化为活跃的激素，开始影响茎的生长。这个过程的速度非常惊人——根系不仅对环境的变化做出了反应，它们还迅速地将这些信息从根系传递到植物顶端的干细胞。
观察到芽分生组织细胞在施用硝酸盐后24小时内开始产生反应。兰莱恩博士是亨里克·琼森教授、詹姆斯·洛克博士和艾略特·梅厄维茨教授组成的研究小组的成员之一，正在努力加深我们对植物细胞水平过程是如何由基因调控网络、激素传递和信号传递、细胞生长和分裂控制的理解。虽然这项最新的研究是在拟南芥植物中进行，但这些发现可以应用于未来的作物。这项研究为我们提供了对矿物质营养素如何影响植物结构的更深入的了解，并可用于更好地了解植物对环境投入的反应，以及开发高产品种。在根和芽之间发生相同细胞分裂素作用的作物可以显著受益。例如涉及细胞分裂素调控的基因已经在水稻和玉米中进行了定位，这一知识可用于选择种子产量更高的植物。
植物干细胞
植物干细胞与动物干细胞具有相同的功能。它们是未分化的细胞，能够发育成特殊的器官细胞，如叶子或花。植物干细胞位于植物的分生组织中(根和芽的生长尖端)，并为植物的不同部分提供前体细胞。
细胞分裂素是什么？
细胞分裂素是一类植物激素，控制着植物发育的许多不同方面，并参与植物对环境信号的反应。这种激素在植物的根和芽之间扮演着信使的角色，将根检测到的土壤养分的有效性传递给植物的其他部分。
拟南芥
拟南芥属芸苔属，包括油菜、卷心菜、甘蓝和球芽甘蓝等常见的商业作物。虽然大多数人都认为拟南芥是一种在路边常见的杂草，但拟南芥是首批绘制出完整基因组图谱的植物之一，并被用作研究植物生物学的模型。
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现在普渡大学的一项研究揭示了导致植物干细胞形成和维持机制，这一发现也许有一天能让科学家们控制干细胞的产生，从而提高生物质能，这些生物能可用于生物燃料或玉米和大豆等作物的粮食产量。在今天发表在《科学》(Science)上的研究报告中，植物病理学和普渡大学(Purdue)植物生物学中心的助理教授周云(Yun Zhou)，以及普渡大学(Purdue)和加州理工学院(California Institute of Technology)的合著者，描述了植物如何从分生组织中分化的子细胞中分离出干细胞池，而位于分生组织基部的子细胞则维持着干细胞。
未分化的干细胞位于分生组织中，即植物芽和根的顶端或顶端。这些细胞作为一组空白细胞，支持植物生长，并产生不同的器官，如叶子或花。正在研究植物启动干细胞生产和保持干细胞活性的方式。这些干细胞不断分裂，它们的子代细胞最终会分化。但是维持这些干细胞的生产对植物的生长很重要。如果能够理解分生组织发育的机制，就有可能创造出一种新的生物工具来优化农作物的生长。这一过程是由毛分生组织(HAM)和乌舍尔(WUSCHEL)基因控制的。在干细胞中，WUS激活CLAVATA3基因。在基础分化细胞中，HAM和WUS共同抑制CLAVATA3，导致干细胞的规范。
(上图)三维计算模拟显示了CLAVATA3 (CLV3)在拟南芥茎尖分生组织中的表达，最高梯度显示为红色。(下图)在拟南芥茎顶端分生组织中采用共焦实时成像技术进行了仿真验证，其中紫色最亮表示CLV3梯度高。图片：Purdue University
浓度梯度也是分化的关键，分化是干细胞和基底分化细胞的初始分裂。平衡很重要，研究发现，如果改变浓度梯度，整个分生组织的特性就会改变，活性就会降低。改变可以导致干细胞保持未分化状态的能力。研究小组的假设是基于一个三维计算模型，该模型模拟了控制干细胞身份的分生组织中的基因表达模式。在拟南芥模型上的实验证实了这一假设。研究团队将继续改进模型，以定量预测干细胞活动，以响应基因表达的变化。这一知识将有助于开发控制干细胞以提高作物生长和产量的方法。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《美国国家科学院院刊》,《Science》｜研究/来自：剑桥大学，普渡大学，DOI: 10.1073/pnas.1718670115，DOI: 10.1126/science.aar8638
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