【Current Biology】拟南芥多倍体储存能力提升但是结构稳定性受到影响

多倍体化是植物进化过程中的一个普遍现象，在植物演化过程中发挥着重要作用。有许多重要的农作物起源于多倍体，如土豆、棉花、小麦和油菜等。多倍体(polyploidy)所有细胞的染色体数目加倍，而内多倍体(endopolyploidy)一部分细胞的染色体数目加倍。多倍体和内多倍体全基因组加倍导致细胞尺寸增大（核型效应，nucleotypic effect ）。细胞尺寸增大，导致细胞表面积与体积比减小，这可能对整个植物组织或植物体产生影响。尺寸增大的细胞，细胞壁占据的体积减小导致细胞内可储存的空间增大。这种细胞水平上的变化可能会影响整个植物体应对环境变化的能力。例如在干旱条件下多倍体细胞储存空间增加，从而获得了较强的抗旱性。多倍体的单个种子体积也增加了，这可能也会影响产量。同时多倍体对营养元素氮和磷的需求很高，满足其更多DNA和RNA合成的需要。

目前有许多关于多倍体和内多倍体的引起植株形态改变的报道，但是对于其功能和适应性后果却很少被研究。多倍体在植物中普遍存在，因此植物已成为探索全基因组复制的功能的重要模型。

2022年8月8日，Current Biology在线发表了加拿大Brian C. Husband团队题为“Polyploidy increases storage but decreases structural stability in Arabidopsis thaliana”的文章。Evan K. Pacey是本文的第一作者。该研究发现多倍体植物组织储存能力增加，耐旱性增强，但是植物茎秆机械强度降低。

为了研究多倍体和内多倍性是否影响贮藏能力，作者使用了9份具有代表性的拟南芥自然二倍体材料，以及与之对应的合成四倍体和八倍体进行比较。作者使用共聚焦显微镜观察叶片细胞发现随着细胞类型倍性的增加，细胞体积增加，细胞表面积体积比降低计算叶组织的细胞内储存量时，作者发现多倍体比二倍体具有更大的细胞内净储存量。因此，细胞尺寸的增加可导致其储存能力的增加。作者测量了这些材料单位干重对应地上部分的含水量，结果表明四倍体和八倍体单位干重地上部的含水量高于二倍体，因为植物贮藏能力与储水能力呈正相关，因此这暗示着四倍体和八倍体相对于二倍体具有更强的贮藏能力。

那么多倍体是否会对植物形态以及结构稳定性产生影响？作者测量了以上材料茎的生物量、主茎高度和主茎角度，结果与前人的研究不太一致，作者发现新多倍体并没有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。主茎高度也观察到相似的表型，八倍体比二倍体和四倍体更矮。倍性增加导致主茎角度减小，因此四倍体和八倍体的主茎更倾向于匍匐（图3）。作者进一步研究发现，在应对干旱方面，八倍体比二倍体和四倍体具有更强的应对能力。并且，八倍体的种子尺寸大，但是数量更少。

ACKNOWLEDGMENTS

We thank P. Kron, T. Slimmon, M. Mucci, N. Wutys, M. Stru¨ der-Kypke, A. Abbruzzese, A. Laplante, S. Stoltz, and J. Shao for laboratory assistance and A. Green for creating the neopolyploids. This work was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grants RGPIN 2013261300 and RGPIN-2015-05892).

原文链接：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)01120-4

转自：植物科学SCI

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