研究发现植物中与器官运动促成自交相关的新细胞类型

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植物一般不能自主移动，但许多植物依赖流体静力和渗透压产生大幅度的器官运动以适应外界环境。近二十年来，这一现象在生物力学和生化研究领域备受关注并取得进展，但在细胞和分子机制方面仍是未被探索的领域。 

中国科学院植物研究所王印政研究组发现了植物中一种新的细胞类型，即充满水敏性粗面内质网的收缩细胞（contractile cells），不同于植物薄壁细胞，并具有特异基因组组成。 

研究发现斑叶草（Chirita pumila）的柱头具有运动特性。研究通过试验证明该柱头具有水敏性，进一步通过解剖学研究发现，当柱头吸水时，一类占据柱头一半体积的细胞大幅度伸长，与柱头的伸长-收缩运动密切相关，将其命名为“收缩细胞”。冷冻电镜显示收缩细胞充满网状结构，细胞核被挤至边缘。薄壁细胞主要是中央大液泡。收缩细胞吸水后大幅伸长达八倍以上，仍充满网状结构。这说明网状结构是水敏性的主要物质，即网状结构吸水膨胀推动收缩细胞伸长，导致柱头运动。激光共聚焦显示FM4-64荧光信号在薄壁细胞从质膜迁至液泡膜，收缩细胞则无液泡膜信号，红、绿色不同波长弱信号显示收缩细胞大幅伸长。收缩细胞中缺乏液泡证实吸水膨胀的水敏性物质是网状结构，并非液泡。透射电镜和荧光分析揭示该网状结构是粗面内质网，表面布满颗粒状核糖体，不同于薄壁细胞。RNA-seq比较分析表明收缩细胞具有明显区别于薄壁细胞的基因组组成和特异基因。 

野外观察和实验分析进一步发现斑叶草柱头呈双向开合-弯曲运动，收缩细胞随日夜湿度变化驱动柱头昼夜节律运动。此外，柱头运动在两个柱头裂片之间留下一个连接花药裂口的花粉通道，持续挤压花药，导致花粉经该通道直接喷射到柱头可受面上。因此，柱头的开合-弯曲运动将原本的异花传粉转变成严格的花前自花传粉，即闭花受精。这是植物适应传粉环境不确定性的分独特的生殖保障策略。该研究在植物器官运动和细胞生物学领域打开了新窗口。 

相关研究成果在线发表在《国家科学评论》（National Science Review）上。研究工作得到国家自然科学基金和王宽诚教育基金的支持。 

收缩细胞结构与功能和柱头昼夜节律运动。A-H：冷冻与透射电镜下的收缩细胞（A-D）和薄壁细胞（E-H）；I-L：FM4-64在薄壁细胞（I、J）和收缩细胞（K、L）的荧光信号；M, ER-tracker red和Golgi-tracker green荧光信号；N-Q：柱头随日夜湿度变化的开合–弯曲昼夜节律运动和自花传粉。