植物性别需要推力

在将于2018年9月出版的“技术”杂志上发表的一篇论文中，现在已经使用微流体技术测量了微观器官在植物中传递精子细胞所产生的推力。蒙特利尔大学(现称蒙特利尔大学)，麦吉尔大学和康考迪亚大学的纳米和微系统工程师和植物生物学家团队设计了一种微芯片，使研究人员能够测量植物使用的精子输送工具施加的力量。谈判雌性花组织以实现受精。

用于测量花粉管生长力的芯片实验室的制造非常复杂，涉及多层精确设计的弹性体材料的组装，精度在微米范围内。植物的繁殖对人类的生存至关重要，因为我们消耗的大部分卡路里都依赖于它。成功的植物受精是形成种子的基础，如水稻，玉米和小麦，以及水果和许多蔬菜。因此，未施肥可能会产生严重的经济和人道主义后果。

为了模仿花组织的生物迷宫，将花粉管策略性地引导到微型装置中并暴露于微型力平衡。当管子与测量仪相互作用时，它们使装置偏转，并且失速力提供了微小细胞能够施加的推力量的信息。该力的大小表明驱动入侵过程的细胞压力对应于典型的汽车轮胎的细胞压力。奇怪的是，花粉管改变了频率或它们的振荡生长模式，表明细胞“感觉”并且对环境的物理抗性作出反应。

植物中的精子细胞递送与人和动物中的类似过程有许多相似之处。植物中的卵细胞深深地嵌入雌性组织中，因此，由雄性伴侣即花粉粒递送精子细胞需要形成侵入雌性组织的突起。与人类对应物相反，每株植物雄性仅递送两个精子细胞，并且该过程以其死亡结束。“这就是花朵形成如此多花粉粒的原因”该研究的资深作者Anja Geitmann说。这些微观球体的生物学目的是将精子细胞从一朵花传递到另一朵花。

与动物精子细胞不同，植物精子细胞不能运动，因此必须将它们直接递送到卵细胞以进行受精。因此，输送器官的增长至关重要。雌花组织代表了花粉管必须通过其操纵的强大复杂的迷宫。对于定位至关重要，花粉管能够遵循女性伴侣发出的指导线索。“我们长期以来一直怀疑这个过程不仅需要复杂的导航系统，还需要大量的力量，”Geitmann解释说，“但这种单细胞产生多大的力量是未知的。”

康考迪亚大学教授Muthukumaran Packirisamy补充说：“从机械的角度来看，花粉管伸长的过程类似于用于血管成形术的球囊导管 - 力是基于氢化骨架原理或压力下的流体产生的。设计了一个基于微观悬臂的测量仪，花粉管必须用力推动，以便继续伸长。“

该实验需要微系统技术，因为花粉管的尺寸很小，因此它们用于实现穿透的微小力量。在大花中，花粉管可以变成许多厘米长，但与花的大小无关，管的宽度只有5到20微米。作为比较，人的头发通常为100微米厚。

该研究不仅用于定量测定花粉管的侵入力，还用于密切监测其与物理对象相遇时的行为。研究人员观察到，细胞的特征性振荡生长模式通过与物理障碍物的接触而显着改变，导致他们怀疑管子能够根据其遇到的机械阻抗感知并能够适应其生长力。单个细胞的这种可调和复杂的行为是令人着迷的，并且说明了生殖过程的复杂性，即使在植物中也是如此。

来自麦吉尔大学的团队正在努力进一步表征花粉管的侵入行为，以了解细胞生长机制如何将生长方向引向其目标，以及细胞如何与女性组织相互作用，而Concordia大学的团队继续开发用于研究不同细胞行为和特性的芯片实验室。