「心機」棉花在萌發時候「搶跑」，科學家分鏡頭髮現「暗門」

記者 崔雪芹 通訊員 周煒

今年1月初，一粒棉花的種子創造了奇蹟。它在登陸月球背面的月球車上，倔強地發芽了，由此也成為第一種在外星球成功萌發的植物。

種子是如何感知環境並發芽的？最近，浙江大學農學院教授張天真課題組在棉花中找到一種名為HSP24.7的小分子「開關」，它能直接感知環境溫度並調控種子的萌發。如果缺少這個蛋白，即使周圍溫暖和煦，棉花仍會像置身於低溫一樣繼續「沉睡」。

相關論文於今年2月在美國《國家科學院院刊》雜誌上發表。業內專家認為，這一發現為人類認識植物溫度響應的分子機制掀開了一角，在作物種子生產、保存和育種中都具有重要的應用意義。

尋找棉花耐力相關的基因

棉花種子是世界上最有「耐力」的選手之一。作為起源於非洲和中美洲的熱帶植物，經過數千年的演化，棉花的足跡已經遍布亞洲、南美洲、北美洲等地。當年哥倫布在加勒比海地區發現棉花的時候，理所當然地認為這是到達亞洲海岸的另一證據；達爾文隨英國皇家海軍艦艇貝格爾號考察達加拉帕戈斯群島，也帶回了野生的棉花標本。

科學家因此推測，棉花種子具有「隨風飄動，隨波逐流」的本領，可實現跨越數百公里的全球傳播。

「由於棉花具有耐寒、耐鹽、耐旱等性質，所以才使長途水陸『旅行』成為可能。」論文共同作者之一、浙江大學「百人計劃」學者關雪瑩說。

該課題組試圖尋找與棉花耐力相關的基因，以用於作物精準育種。而在實驗中，浙江大學博士後馬衛驚奇地發現，一批棉花種子明顯「搶跑」了：正常情況下，棉花種子在吸足水分後24小時開始萌發，但是其中一組的時間量幾乎提前了一半，在12小時的時候就陸續萌發了。

眾所周知，溫度、光照、水分是決定植物種子萌發的重要外因。但是，這些外因如何被植物感知，並啟動一系列體內反應，相關的分子機制依然模糊。

發現種子萌發快慢的「暗門」

通過一系列實驗，課題組發現「搶跑」的種子確實不一樣，它們體內一個小分子熱激蛋白HSP24.7的含量特別高。實驗中，科學家發現，調整HSP24.7的表達量，似乎就能調控種子對環境溫度的感應。

如果抑制棉花的HSP24.7表達，即使溫度適宜，種子也像一直處於低溫環境一樣，萌發緩慢。而如果HSP24.7出現活躍表達，棉花種子則迅速萌發，即使在低溫時也可以迅速完成。「它可能是植物的溫度感受器。」關雪瑩說。

張天真介紹，實驗進一步發現，HSP24.7通過調控線粒體的活性完成溫度響應。HSP24.7含量升高，可以讓線粒體產生更多活性氧，從而加速種子萌發。

馬衛解剖了來自不同萌發時期的棉花種子，試圖「分鏡頭」解析種子萌發的全過程。他發現了另一「暗門」——胚乳膜。「這是種子萌發關鍵機械束縛，HSP24.7控制種子萌發速度快慢，並不是胚的活力差異造成的，而是胚乳膜的強度。」他說。

讓棉花「統一步調」

至此，植物感受溫度並控制種子萌發速度的機制終於有了一個清晰的途徑：HSP24.7感受到適宜的溫度時大量表達，適度抑制線粒體活性，釋放活性氧，促成了胚乳膜內關鍵組分的降解，胚乳膜強度減小，種子順利萌發。

「我們還在擬南芥和番茄種子中做了相關實驗，發現這一機制在雙子葉植物中是普遍適用的。」張天真說。

種子萌發是植物生命周期開始的第一步。作為人類最為重要的農作物之一，人們希望田裡的棉花能「統一步調」，高效地實現同步採收，而這也是農作物精準育種的目標之一。「當我們知道植物感知溫度的分子機制，可以更好地用於棉花育種。」張天真說。

他介紹，我國是棉花種植大國，全國70%的棉花產量來自於新疆。種子溫度響應機制的發現，將進一步指導人們怎樣在低溫、乾旱、鹽鹼地種出更好的棉花。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1815790116

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