一滴水，如何唤醒沉睡的种子？植物种子是如何感知水的存在

文章图片
植物种子是如何感知水的存在并开启新的生命循环的呢？
撰文|水寒
【一滴水，如何唤醒沉睡的种子？】责编|计永胜冯灏
水是生命之源。大多数植物种子发育成熟后，往往要经历脱水、休眠的阶段，等到外界的湿度、温度等条件适宜时才开始萌发，并利用早先贮存的碳水化合物、蛋白质等物质促进幼苗的生长发育。比如睡莲，种子脱水能够在湖底休眠千年之久而不萌发。
植物种子如何使得各种分子重新“活动”起来？这里的关键因素就是水，那么，植物种子是如何感知水的存在并开启新的生命循环的呢？

文章图片
Cell发文|图源：文献[2]
美国斯坦福卡内基科学研究所SeungY.Rhee及其合作者发现了植物中的一种全新的水分传感器——FLOE1蛋白， FLOE1蛋白可以感知环境中水分的变化，引发相分离（即FLOE1蛋白在液滴和凝胶态之间的转换），从而调控种子萌发。这一成果于近期在国际学术期刊Cell上发表。

文章图片
SeungY.Rhee团队研究方向|图源：文献[1]
“尽管大多数植物的种子具有惊人的韧性，但对于整个植物生命周期来说，从种子到幼苗的阶段是最为脆弱的，因为种子的萌发需要非常精确的时间调控，一旦启动就不可能返回到休眠状态——精灵不可能再回到瓶子里。 ”论文第一作者YannivDorone表示， “所以，像FLOE1这样的蛋白对于植物精密调控生命运行至关重要。 ”[3]
在所有已测序的基因组中，超过25-75%的编码蛋白基因与任何具有已知分子功能的基因都不相似。为此， SeungY.Rhee团队开发了系统地表征这类“未知”基因的方法。而在本研究中，他们着眼于寻找能够感受水分变化，进而调控种子萌发的关键基因。

文章图片
关注FLOE1基因|图源：文献[2]
研究人员首先分析了公开可用的拟南芥（十字花科草本植物，植物学研究的模式生物）转录组数据（基因表达数据），发现了449个编码蛋白基因在干燥种子的表达水平高于其他组织，其中包含了编码14种朊病毒样（prion-like）蛋白的基因。而在此之中，研究人员注意到了一个未表征的编码——种植物特异性蛋白的基因（AT4G28300），将其命名为FLOE1（命名灵感来自于PhilipGlass的Glassworks第二乐章，同时floe又有“浮冰”的含义，属于相分离的水体）。
研究人员发现， FLOE1的基因表达水平在种子胚发育过程中逐渐上升，并在种子成熟干燥状态达到峰值。更有趣的是，干燥的种子在遇到水后，其中的FLOE1蛋白以凝集体（Condensates）形式存在。而在高盐环境（NaCl ，模拟脱水状态）下， FLOE1并不形成凝集体（Dispersed），高盐环境解除后， FLOE1的凝集体又出现，这就是相分离现象。这说明FLOE1蛋白的相（状态）与水分紧密相关。

文章图片
FLOE1蛋白的状态与水的存在息息相关|图源：文献[2]
水、FLOE1和种子萌发三者又是什么关系呢？
研究人员发现，在高盐环境下（即脱水状态），正常的种子是不会发芽的，但是敲除FLOE1基因的种子发芽率显著上升，说明在干燥环境下， FLOE1会抑制种子的萌发。