Current Biology | 多倍体增强了拟南芥的贮藏能力但降低了组织结构稳定性

在生物中普遍存在的多倍体和核内多倍体，可以促进生命的多样化和物种分布。比如，植物本身由于某种未知的原因而使染色体复制之后，细胞不随之分裂，结果细胞中染色体成倍增加，形成多倍体，并与原物种发生生殖隔离，这将有助于新物种的形成。虽然多倍体和核内多倍体在进化和生态方面具有潜在的广泛影响，但目前我们对培育能稳定遗传的多倍体和核内多倍体的机制尚不明确。尽管有许多关于多倍体和核内多倍体改变植株形态和大小的报道，但其功能与机制却很少被研究。

近期，Evan K. Pacey团队在国际学术期刊Current Biology上发表了题为“Polyploidy increases storage but decreases structural stability in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该团队研究表明，全基因组复制引起的细胞增大可以增强植物组织的储存能力，并增强对有限资源环境的耐受性，但随着倍数增加，将影响植物结构的稳定性，并减少植物细胞壁的含量，对于植物生长发育将产生不良影响。全基因组复制引起的细胞的增大会导致细胞的表面积(SA)与体积比减少，这将会对植物功能产生影响（图1）。较低的表面积(SA)与体积比必然会减少组织中细胞壁所占的体积。因此，其细胞内储存空间的净体积要比由较小的细胞组成的相同组织更大。而且多倍体和核内多倍体对细胞体积的核型效应可能会影响组织结构功能，从而改变植物对其环境的反应。例如，由于细胞的表面积(SA)与体积比的降低导致植物的水分储存能力增强，这将导致多倍体与核内多倍体拥有更强的耐旱性。事实上，在干旱环境中经历长期干旱胁迫的物种经常表现出多倍体或核内多倍体。而且多倍体比二倍体更能耐旱。

1.  多倍体和核内多倍体对细胞大小、组织贮藏能力和植株大小的影响

  为了研究多倍体和核内多倍体是否影响贮藏能力，该团队使用了9个具有代表性的天然二倍体材料。并与相应的实验室合成的新四倍体和新八倍体进行比较。叶片共聚焦成像显示，随着细胞倍性的提高，细胞体积增大，细胞表面积与体积比减小。该团队研究发现多倍体比二倍体有更大的细胞内净贮量（ISC），并证明细胞大小的增加会导致组织储存能力的增加。

  为了确定四倍体和八倍体相对于二倍体较高的ISC值是否与植物的贮藏能力相一致，该团队用单位干质量含水量来测量组织的储水能力。计算出的细胞内净贮量估计值与细胞贮水量一致。随后，该团队研究了多倍体ISC的增加对植株结构稳定性产生的影响，结果表明多倍体不会增加拟南芥的生物量。虽然四倍体的生物量略高于二倍体，但八倍体明显小于四倍体；八倍体的茎高度比二倍体和四倍体矮；倍性增加对茎角产生负面影响（图2）。

 2. 同源多倍体和核内多倍体对干旱反应和繁殖性状的影响

  为了验证同源多倍体和核内多倍体由于相应的ISC的增加是否影响其抗旱性，该团队以9个天然二倍体材料，以及相应的四倍体和八倍体为实验材料进行研究。实验结果表明八倍体比二倍体和四倍体的枯萎时间更长。但高核内多倍体的材料比低核内多倍体的材料萎蔫得更快。该团队推测这些是由于植株大小的差异所导致的，并进行了验证（图3）。为了验证同源多倍体和核内多倍体对于种子产量和种子质量的影响，该团队统计了同种类型材料的种子数量和种子大小。结果表明增加倍性减少了种子数量，但种子也变的更大了。此外，与二倍

体相比，四倍体和八倍体产生的较大种子可能有利于适应于干旱环境。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982222011204?via%3Dihub

转自：植物生物技术Pbj

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