将数学与植物科学整合起来，解释植物根部是如何产生激素梯度的。这个研究团队开发出了一种生物传感器，首次记录了植物生长激素赤霉素的明显梯度与植物细胞大小相关，现在揭示了根部中这种分布模式是如何形成的。从植物胚胎在种子中形成开始，持续到整个植物生命周期，未分化的干细胞经历了从根、茎、叶和生殖器官细胞的特化。这种转化依赖于一种称为植物激素的分子组合，它们就像人类激素一样，能够在细胞和组织之间移动，触发身体各处的不同生物进程。我们现在知道通过分子和遗传工具的进步，在 20 世纪 50 年代和 60 年代推动绿色革命的许多高产矮秆小麦和稻谷品种的发展中，赤霉素类植物激素的突变导致了这种情况。这些突变导致了茎变短，使作物能够将能量重定向到生长谷物，而不是茎和叶，还防止了因高高瘦瘦的植物在收获前倒伏引起的问题。我们现在通过分子和遗传工具的进步知道，赤霉素（GA）在整个植物生命周期中调节生长和发育 - 从发芽的种子，伸展的茎和根，到花朵的形成。因此，GA 继续吸引着研究激素如何控制植物生长以及未来作物改良的潜在目标的植物科学家的兴趣。.
生物学家 Alexander Jones 的研究小组与剑桥大学 Sainsbury 实验室的研究团队以及诺丁汉大学的 Leah Band 和 Markus Owen 的研究团队之间的合作在 PNAS 上解释了今天植物生长中特有 GA 分布的生物化学步骤。他们的研究为了解其他植物组织中 GA 模式及其对植物发育的相关影响提供了有价值的模型。"作为植物生长和发育的关键调节因子，了解植物激素对于理解植物生长动态，它们如何响应环境以及帮助鉴别未来提高食品安全的目标至关重要，" 第一作者 Annalisa Rizza 博士说。
"GA 被认为调节细胞的增殖和膨大，提高根部生长速率，但目前我们还没有完整的图像。我们此前观察到在模式植物拟南芥生长根中由根尖到根长区存在 GA 的明显纵向梯度，与细胞大小相关。我们还观察到外源 GA 产生的梯度，更大细胞中 GA 的积累更快，但我们并不清楚这些模式是如何形成的。"
为了寻找答案，研究人员将数学模型与实验观察相结合，深入探究细胞，看看哪些生化和/或运输活动可能负责。诺丁汉大学的数学家 Leah Band 博士和马库斯·欧文教授开发了一个计算模型，模拟植物根中的激素 GA 动态，使他们能够测试不同过程对 GA 梯度的贡献。他们将计算机模拟的结果与 Jones 研究小组开发的 GA 生物传感器的实验观察结果进行比较。"在考虑了各种情景后，我们发现，模型预测只能与 GA 生物传感器数据相符，只要伸长区细胞具有高 GA 合成和增加的渗透性，" Band 博士补充道。
下一步是通过实验来验证这些预测。利用 GA 生物传感器，研究人员研究了与 GA 合成相关的关键步骤，并确定了与 GA 合成中酶有关的关键速率限制步骤以及细胞膜的差异渗透性也在创建 GA 梯度中发挥关键作用。除了局部合成 GA，GA 运动到细胞之间的能力也被认为是一个重要因素。团队研究了细胞膜对 GA 的渗透性，发现细胞渗透性的差异有助于创建外源 GA 产生的梯度。"微量这些化学激素可以重新程序植物细胞，并完全改变其生长和生理特性。哪些植物细胞产生这些化学物质？ 这些化学激素去哪里？ 这些是我们正在尝试回答的核心问题，" Jones 博士解释说。
“详细了解 GA 分布与根部生长如何相关以及这些梯度是如何受控的，为进一步了解激素分布如何影响植物生长提供了一个有价值的模型。”文章来源于。更多信息可从诺丁汉大学的 Leah Band 的邮箱 Leah.Band@nottingham.ac.uk 或诺丁汉大学科学学院的媒体传播经理 Jane Icke 的邮箱 jane.icke@nottingham.ac.uk获取。编辑的注释。关于诺丁汉大学。根据 2024 年 QS 世界大学排名：欧洲 32 名，英国 16 名，诺丁汉大学是研究密集型大学协会（Russell Group）的创始成员。在诺丁汉大学学习是一种改变生活的经历，我们以释放学生的潜力为荣。我们拥有开拓精神，体现在我们的创立者杰西·布特爵士学长的愿景中，他的愿景使我们在建立中国和马来西亚校园方面走在了前列 - 这是一个全球联接的教育、研究和工业参与网络的一部分。.将数学和植物科学结合起来，解释植物根部如何产生激素梯度
开发了一种生物传感器的研究团队首次记录到植物生长激素赤霉醇的明显梯度与植物细胞大小相关，现在揭示了这种分布模式是如何在根部中形成的。
从植物胚胎在种子内形成开始，并持续整个植物生命周期，未分化的干细胞经历根、茎、叶子和生殖器官专门化的根本转变。这种转变依赖于一组被称为植物激素的分子，这些分子就像人类激素一样，可以在细胞和组织之间移动，触发身体结构上不同的生物过程。尽管当时尚不清楚，涉及赤霉醇类植物激素的突变是导致在20世纪50年代和60年代推动绿色革命的许多高产半矮稻和小麦品种发展的原因。
这些突变导致了茎部变短，使作物植物能够将能量重新分配到生长谷物而不是茎和叶子上，并且防止了植物倒伏在收获之前的情况。现在通过分子和遗传工具的进步，我们知道赤霉醇（GA）在整个植物生命周期中调节生长和发育- 从种子发芽，伸长茎和根部，到花的形成。因此，赤霉醇继续吸引植物科学家的兴趣，研究激素如何控制植物生长，并作为未来改良作物的潜在目标。
由剑桥大学桑斯伯利实验室的亚历山大·琼斯，以及诺丁汉大学的莱亚·班德和马库斯·欧文合作的研究团队，今天在《PNAS》杂志上解释了在植物生长中独特的GA分布所负责的生物化学步骤。他们的研究为理解其他植物组织中的GA模式及其在植物发育中相关影响提供了一个有价值的模型。
“作为植物生长和发育的关键调节器，理解植物激素对于了解植物生长动态，它们如何对环境做出反应，以及帮助确定未来改善食品安全的目标至关重要，”第一作者安娜丽莎·里扎博士说。
“众所周知，GA调节细胞的增殖和扩张，以增加根部的生长速率，但我们对此仍然没有完整的了解。我们之前观察到，从根尖到根延长区存在GA的明显纵向梯度，与拟南芥(C. thaliana)生长中根部细胞大小相关。我们还观察到，在较大细胞中GA的积累速度更快的外源性GA形成的梯度，但我们并不知道如何形成这些模式。”
为了找到答案，研究人员将数学模型与实验观察相结合，深入探讨细胞，了解哪些生物化学和/或运输活动可能负责。
诺丁汉大学的数学家莱亚·班德博士和马库斯·欧文教授开发了一个计算模型，模拟植物根部中激素GA动态，这使得他们可以测试不同过程如何促成GA梯度。他们将计算机模拟的输出与琼斯研究小组开发的GA生物传感器的实验观察结果进行比较。
“在考虑各种情景后，我们发现只有当伸长区细胞具有高GA合成和增强渗透性时，模型预测才能与GA生物传感器数据一致，”班德博士补充道。
下一步是通过实验证明这些预测。利用GA生物传感器，研究团队检查了涉及GA合成的关键步骤，并确定了与GA合成酶相关的速率限制步骤，以及细胞膜中的渗透性差异也在创建GA梯度中起着关键作用。
除了GA的局部合成外，GA在细胞间移动的能力也被认为是一个重要因素。团队研究了细胞膜对GA的渗透性，并发现细胞渗透性的差异导致了外源性-GA-生成的梯度的形成。
“这些化学激素的微量可以重编一个植物细胞，完全改变其生长和生理。哪些植物细胞产生这些化学物质？这些化学激素何时何地去？这些是我们试图回答的核心问题，”琼斯博士解释道。
“详细了解GA分布与根长之间的关系，以及这些梯度是如何受控的，为我们进一步理解激素分布如何影响植物生长提供了一个宝贵的模型。”
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有关更多信息，请联系诺丁汉大学的莱亚·班德（Leah.Band@nottingham.ac.uk）或诺丁汉大学科学学院媒体关系经理简·艾克（jane.icke@nottingham.ac.uk）。
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