受精植物细胞中不对称细胞分裂的活细胞成像

A组在转型生物分子的名古屋大学的东京大学研究所(ITbM)，在孟德尔学院和肯塔基大学的植物生物学家，报道在杂志的美国国家科学院学报上他们发现植物卵细胞在受精后如何最初失去骨骼模式，并由细胞中的两个主要细胞骨架成分，微管(MTs)和肌动蛋白丝(F-肌动蛋白)重组。通过活细胞成像，该小组能够可视化植物受精卵细胞如何经历不对称细胞分裂，这是决定植物体轴的原因。

开花植物形成各种器官，例如花，叶，根和茎，其沿其身体轴线发展。由于许多植物呈圆柱状，最重要的轴变成顶端 - 基部(茎 - 根)轴，即顶端(顶部)发育成芽，包含花，茎和叶，以及基部(底部)部分)成长为根。作为植物起源的受精卵细胞(受精卵)从其第一次细胞分裂开始建立植物的体轴。

在细胞分裂发生之前，受精卵内的内容物变得不均匀(极化)。这导致不等(不对称)细胞分裂，在顶部产生相对小的细胞而在底部产生大细胞。

“虽然受精卵的极化和不对称细胞分裂形成体轴是藻类，苔藓和开花植物中常见的现象，但细胞极性的起源以及细胞分裂不对称的发生方式至今仍是一个谜。” Minako Ueda，名古屋大学ITbM讲师，该研究的负责人。“这很困难的原因是因为没有一种有效的方法来观察细胞分裂的动态，使用隐藏在植物深处的活体受精卵，”她继续道。

2015年，名古屋大学的Daisuke Kurihara博士研究小组报告了一种可视化模拟植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)生物胚胎生长的技术。Ueda，Kurihara和他们的同事提高了这种成像技术的分辨率，以便能够观察细胞的内部结构。

“这项研究中最困难的部分是能够确定合适的标记来观察植物细胞的内容，”Ueda解释说。“在肯塔基大学的Tomokazu Kawashima博士和孟德尔研究所的Frederic Berger教授的帮助下，我们尝试了基于绿色荧光蛋白(GFP)的彩色标记的不同组合，以在细胞内的不同组分之间形成对比。我们小组的研究生Yusuke Kimata进行了实验，观察受精后卵细胞实际发生的情况。“

该小组首次成功实现了植入卵细胞的细胞骨架如何在受精后被分解，然后重组以在细胞中产生极性，最终导致不对称的细胞分裂。植物细胞含有两种主要的细胞骨架，即微管(MT)和肌动蛋白丝(F-肌动蛋白)，它们有助于细胞保持其形状，提供机械支持并使细胞分裂和移动。Ueda和Kimata使用MTs和F-actin的荧光标记来观察它们在受精前后的变化情况，以及两种纤维如何在受精卵的极化和不对称分裂中发挥作用。

“从我们的活细胞成像实验中，我们观察到最初沿未受精卵细胞的上下轴排列的MT，在受精时解体，导致细胞收缩，”Ueda说。“在接近3个小时后，受精卵顶部出现了一个环状结构，从那里凸出细胞伸长出细胞。这个环结构在细胞伸长的同时被保留下来。最后，MT在大约18小时后聚集在细胞核周围并且分发了染色体，最终在大约22小时后导致细胞分裂，“她继续说道。“当我们看到这部电影时，我们感到非常兴奋，因为这个事件与我们之前看到的完全一样。

该小组随后通过实时成像技术研究了F-肌动蛋白的动力学。以与MT类似的方式，受精时破坏未受精卵细胞中F-肌动蛋白的初始组装。

“F-actin的不同之处在于它们在受精后沿着上下轴排列，并聚集在细胞尖端的帽状结构中，”Ueda描述道。“我们能够观察到卵细胞受精后MT和F-肌动蛋白的初始组装被破坏，并且生长的受精卵逐渐将这些纤维以与卵细胞不同的模式对齐。这是第一次可视化不对称细胞分裂的实时事件，我们能够看到其他事件，如受精卵的细胞伸长和细胞核的迁移。

该小组不仅成功地观察了合子极化和不对称细胞分裂的实时事件，还能够量化细胞骨架的动态模式(即分别形成环结构和纵向阵列的MT和F-肌动蛋白) 。东京大学的图像分析专家Takumi Higaki博士和Seiichiro Hasezawa教授进行了这些详细的量化实验。

该小组假设MT和F-肌动蛋白在受精卵中发挥不同的作用，因为它们在细胞中的排列不同。为了研究它们的特定作用，他们使用每种蛋白质的抑制剂来观察它们对受精卵极化和不对称细胞分裂的影响。

“通过实时成像，我们看到MT的抑制阻碍了合子伸长，导致形成圆形和肿胀的受精卵头形状，”Ueda说。“另一方面，当我们抑制F-肌动蛋白时，细胞核无法向上移动并保持在受精卵中心附近。因此，细胞分裂发生在细胞核的位置，导致几乎对称的细胞分裂，生成的细胞大小相似的地方。“

该研究结果表明，MTs负责沿着上下轴伸展受精卵，而F-肌动蛋白在将细胞核移向受精卵顶部起作用，使其为不对称细胞分裂做好准备。

“我们能够通过活细胞成像显示，卵细胞受精后细胞发生极化，MT和F-肌动蛋白在诱导不对称细胞分裂形成植物体轴方面发挥作用，”Ueda说。“我们希望能够通过观察植物受精卵中的更多成分来找到导致极化的原因以及正在细胞中分布的成分的确切起源。我们设想这项工作将导致发现开花植物如何进化成形他们目前的结构和形状。“