10 년 전, 식물 유전 학자들은 접목 식물을 보았을 때 독특한 것을 발견했습니다. 두 식물이 함께 자란 경우, 각 식물의 세포는 다른 식물로부터 상당한 양의 DNA를 집어 들었다는 징후를 보였다. 그 자체로는 유전자의 수평 전이가 박테리아와 동물, 곰팡이 및 식물에서는 드문 일이 아니기 때문에 전례가 없었습니다. 그러나이 경우, 전달 된 DNA는 엽록체의 전체 손상한 게놈 인 것처럼 보였다. 식물 세포는 Protective Cell Wall 내부에 스스로를 밀봉하여 DNA가 너무 많은 DNA에 들어갈 수있는 명백한 방법을 제공하지 않기 때문에 이것은 수수께끼를 낳았습니다.
.이제 Potsdam에있는 Max Planck 분자 식물 생리학 연구소의 Ralph Bock 실험실 연구원들은 마침내이 전송을 비디오에서 캡처함으로써 해답을 발견했습니다. 세포벽은 때때로 생각했던 것보다 더 다공성 일뿐 만 아니라, 식물은 전체 소기관이 세포벽을 통해 인접한 세포로 기어 다닐 수있는 메커니즘을 개발 한 것으로 보인다. 연구원들은 1 월 1 일 Science Advances 에서 발견을보고했습니다. .
웁살라의 스웨덴 농업 과학 대학에서 이식을 연구하는 식물 생물학자인 찰스 멜니크 (Charles Melnyk)는“진정한 참신함은 실제 물리 소기관이 움직이고있는 것을 보여 주었다. "소기관을 교환하는 두 개의 다른 식물입니다."
벽에 예상치 못한 구멍
농민들은 적어도 고대 로마 시대부터 과일 나무와 포도 나무를 재배하기 위해 식물 이식을 사용했습니다. 설립 된 뿌리 줄기에 식물의 꽃, 결실 부분 인 자손을 접목하면 어린 과일 나무 나 덩굴이 더 일찍 열매를 맺고 해충과 질병에 대한 저항력을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 접목은 자연에서도 서로 닿는 밀접하게 관련된 식물이 결국 융합 될 때 또는 기생 식물이 호스트와의 연결을 형성 할 때 발생합니다. 이식 부위에서 식물은 일종의 흉터 또는 캘러스를 형성하여 상처를 가로 지르는 혈관 조직을 통해 물과 영양소의 흐름을 다시 설정하고 때로는 새로운 싹을 일으 킵니다.
약 10 년 전, Bock과 그의 팀은 캘러스의 양쪽에서 두 종의 담배 식물과 시퀀싱 된 유전자를 함께 접목했습니다. 그들은 엽록체의 전체 게놈이 뿌리 줄기와 scion 사이에서 교환되었다는 것을 발견했습니다. (미토콘드리아, 엽록체 및 Plastids라고 불리는 다른 식물 소기관은 고대 내각 박테리아의 잔재이며 자신의 유전자 물질을 가지고 다니고 있습니다.) 실제로 150- 킬로베이스 엽록체 게놈 전체는 다른 유전자 중에서 재조합 된 알몸의 DNA 단편이 아닌 온수로 전달되었습니다. 많은 수평 이체를 유발하는 우발적 인 혼성화 또는 바이러스 감염은 이것을 달성 할 수 없었습니다.
Rutgers University의 식물 과학자 인 Pal Maliga는“이것은 식물 세포에서 기대할 수있는 것이 아닙니다. 식물 세포는 뻣뻣한 세포벽으로 장갑을 끼고 있으므로“식물 세포의 내 이미지는 새장에 앉아있는 세포질이었고 아무도 아무도 가지 않습니다.
전이에 대한 유전자 증거는 실제 퍼즐을 제기했습니다. 세포벽에서 유일하게 알려진 개구부는 작은 플라스 모드 스마타, 좁은 다리 (약 0.05 미크론) 폭 (약 0.05 미크론)이었다. Maliga는 일반적으로 직경이 약 5 미크론 인 엽록체는“이를 통해 너무 컸다”고 말했다. "그것은 다른 세포에서 기적적으로 나타나는 것처럼 보였다."
이 미스터리는 Bock이 라이브 셀 이미징 및 현미경에 대한 전문 지식을 갖춘 박사후 박사자 Alexander Hertle과 협력 할 때까지 지속되었습니다. Hertle은 캘러스에서 무슨 일이 일어나고 있는지 살펴보기로 결심했습니다. 전자 현미경으로 이식편의 얇은 부분을 검사하면서, 세포는 이전에 본 것보다 더 큰 개구부를 가지고 있음을 알았습니다. 그러나 최대 1.5 미크론이었던 것들조차도 엽록체에는 너무 좁아 보였습니다.
그런 다음 캘러스에서 살아있는 세포를 관찰하면서 Hertle은 이동 행위에서 엽록체의 이미지를 잡았습니다. 엽록체 중 일부는 0.2 미크론만큼 작게 될 수있는 더 원시적이고 더 모터 성 프로토 플라스티드로 바뀌 었습니다. Hertle이 보았을 때, 프로토 플라스티드는 세포막 내부를 따라 기어 들어갔다. 세포막의 버드 같은 돌출부는 인접한 세포로 부풀어 오기를 전달했습니다. 이식편의 조직 조직이 자체적으로 재건되면서, plastids는 엽록체의 정상 크기로 돌아 왔습니다.
Hertle은“따라서 세포벽에 분명히 구멍이있어 Plastids가 이동할 수 있습니다. 식물 세포벽이 두껍고 다소 영구적 인 장벽이라는 교리는“기본적 으로이 연구에서는 사라집니다”.
a 치유 교환
엽록체의 변태는 아직 잘 이해되지 않았지만 탄소 기아에 대한 반응과 광합성이 적은 것으로 보인다고 Hertle은 설명했다. 연구원들이 조명을 끄었을 때, 그들은 더 많은 플라 스티드가 정리되어 있고, 소기관 전달의 빈도가 5 배 증가한 것을 관찰했다.
Maliga는 새로운 숙주 세포에서 전달 된 plastids 기능이 두 종과 얼마나 밀접하게 관련되어 있는지에 달려 있다고 말하하는 말한다. 핵 DNA와의 유전 적 불일치가 너무 극단적이라면, 소기관이 작동하지 않아 결국 손실 될 수 있습니다. 그러나 그들은 가까운 친척의 세포에서 번성 할 수있었습니다.
Maliga는 프로토 플라스티드가 이식 상처 치유에 도움이되는 신호 전달 분자를 함유하거나 생성 할 수 있다고 의심합니다. 세포벽에서 형성되는 큰 개구부는 또한 이식장의 상처에 대한 식물의 비상 치유 반응의 일부인 것처럼 보이지만, 정상적인 식물 발달의 일부 단계에서도 발생할 수 있다고 말리가는 말합니다.
.전직 organelle 마이그레이션은 서로 가까이 자라는 다른 종의 너도밤 나무 덩어리의 엽록체가 너도밤 나무의 더 넓은 간격 조립에서 비롯된 엽록체보다 유전 적 유사성을 더 많이 가지고 있다는 관찰을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 Hertle은 말합니다. 엽록체-캡처 사건은 또한 식물의 진화 역사를 재구성 할 때 연구자들이 때때로 일관성이없는 결과를 얻는 이유를 설명합니다. 핵 및 엽록체 게놈은 다른 혈통을 가질 수 있습니다.
.소기관 마이그레이션을 통한 이런 종류의 수평 게놈 전달이 본질적으로 얼마나 자주 발생하는지는 아직 분명하지 않습니다. 아마도 식물은 부상이나 다른 사건에 대한 반응으로 세포 사이에서 엽록체를 일상적으로 움직입니다. 아무도 모릅니다. Bock, Maliga 및 기타 연구자들은 접목 된 조직의 차이로 인해 일어나고있는 일을 줬기 때문에 게놈 전송 만 문서화 할 수있었습니다. 그러나 식물이 소기관 전송의 메커니즘을 진화했다면, 비교적 드문 천연 이식 사건이 그들에게는 한 번만 일 수 있습니다.
일반적이든 아니든, 현상은 진화론 적 또는 생태 학적 영향을 미칠 수 있습니다. Hertle은 이식 캘러스의 모자이크 세포가 일단 뿌리, 싹 및 꽃을 생산하기 시작하면 새로운 종이나 아종을 생성 할 수 있다고 지적합니다. 특히 세포벽이 핵 게놈을 인정할 수있을만큼 넓게 열리면 생성 할 수 있습니다. 2014 년에 Bock의 팀은이 방법을 사용하여 하이브리드 화에서 발생할 수 없었던 핵 및 소기관 게놈의 조합으로 나이트 쉐이드 가족에 새로운 종을 만들었습니다. 자연이 식물 사이에서 소기관을 쉽게 전달할 수있는 방법을 제공한다면 생명 공학 연구원들은 바람직한 새로운 작물 종을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
잠재적 인 응용 프로그램은 많지만 Hertle은 기본 발견의 기쁨을 능가하지 않습니다. "현미경 과학에 대해 매우 흥미로운 것은 당신이 생각하지 못했던 것들을 본다는 것입니다."
