普渡大学植物学家利用蕨类植物模型，发现了一种蛋白质，该蛋白质在控制细胞分化和决定维管植物的性别方面发挥着此前未知的作用。这一发现为干细胞增殖过程提供了新的见解，该过程通过防止所有后代发育为雄性来确保物种的繁殖和生存。

研究小组揭示了阻止维管植物干细胞分化的调控机制

植物学和植物病理学副教授周云和普渡大学的五位合作者最近在《当代生物学》上发表了他们的研究成果。该团队的研究重点是植物学研究中经常使用的蕨类植物水蕨，以揭示在细胞和分子水平上调节干细胞增殖的基本过程。在植物中，未分化的干细胞存在于活跃生长的组织中，称为分生组织。

研究人员发现，一种名为CrHAM的基因与所有植物、动物和人类都具有的一个极其重要的过程有关——干细胞增殖。所有这些多细胞生物都拥有未分化的干细胞。

周教授说：“未分化意味着它们具有分裂和供给细胞的能力，这些细胞最终会分化成各种器官。这就是为什么维持干细胞群和分生组织发育对植物的生长和繁殖如此重要。”

尽管植物科学家已经知道干细胞在植物的生长和发育中起着至关重要的作用，但周解释说：“在这项研究中，我们发现CrHAM调节分生组织的不确定性，这意味着它们的主要作用是阻止干细胞分化。”

这种植物既可以发育成雄性，也可以发育成雌雄同体。雌雄同体植物既有雄性生殖器官，也有雌性生殖器官，会发育并维持分生组织。然而，雄性植物不会发育分生组织。《当代生物学》报道的研究结果表明，CrHAM是阻止雌雄同体植物分生组织形成雄性器官的关键机制。如果没有这种调节，分生组织就会一直分化成雄性器官，导致雌雄同体身份的丧失，并终止该物种的繁殖。

周教授的研究小组采用了严格的分子遗传分析、跨不同性别和基因型的全基因组表达谱分析以及使用实时成像共聚焦显微镜定量分析细胞分裂的方法，以收集数据并验证他们的假设。周教授实验室开发的技术使研究人员能够观察单个水蕨细胞如何分裂并分化成不同的器官，而不会干扰植物的正常生长。

此前利用该技术获得的结果发表在2022年的一篇《通讯生物学》论文中。《当代生物学》和《通讯生物学》论文的第一作者都是袁耿，他是普渡大学的博士校友，毕业于周的实验室，现在是加州理工学院的博士后学者。

这篇《当代生物学》论文是周和他的团队自加入普渡大学以来发表的一系列研究成果中的最新一篇。周的研究旨在了解植物维持干细胞分裂和维持器官形成的细胞和分子机制。多细胞生物如何平衡这些过程引发了许多问题。

“在我的实验室中，我们建立了两个模型系统来解决这些问题，”周说。其中一个是蕨类植物角蕨，一种无种子植物模型。另一个是拟南芥的茎分生组织，一种开花种子植物模型。在2018年发表在《科学》杂志和2020年发表在《自然通讯》杂志上的涉及干细胞和其他HAM家族基因的相关拟南芥研究中，周的团队发现了一些调控原则，科学家最终可以利用这些原则来优化茎分生组织活动并提高作物产量。

虽然周的研究并不直接关注农作物，但所获得的知识可能有助于提高能源生产所需的生物质和提高粮食产量。此外，对干细胞行为和调控的深入了解最终可能通过干细胞再生器官或基于干细胞的疗法造福人类健康。

“它们都与干细胞分裂和分化的基本机制直接相关，”他说。“我们在这个模型系统中学到的基础知识肯定可以应用于改善人们的生活，”周说。

蕨类植物和种子植物都是维管植物，它们都通过专门的组织输送水分和养分。然而，与种子植物不同，蕨类植物通过产生孢子而不是种子来繁殖。

蕨类植物和种子植物的谱系在几亿年前就分离了。经过这么长时间，HAM基因家族仍然致力于保持分生组织细胞不分化。

“这些基因在不同植物物种中有时会与不同的信号通路合作，但在细胞和发育水平上，它们共同努力实现相同的目标。这有点令人惊讶，也为我们未来的研究提出了新的问题，”周说。