A組在轉(zhuǎn)型生物分子的名古屋大學(xué)的東京大學(xué)研究所(ITbM)，在孟德爾學(xué)院和肯塔基大學(xué)的植物生物學(xué)家，報道在雜志的美國國家科學(xué)院學(xué)報上他們發(fā)現(xiàn)植物卵細胞在受精后如何最初失去骨骼模式，并由細胞中的兩個主要細胞骨架成分，微管(MTs)和肌動蛋白絲(F-肌動蛋白)重組。通過活細胞成像，該小組能夠可視化植物受精卵細胞如何經(jīng)歷不對稱細胞分裂，這是決定植物體軸的原因。

開花植物形成各種器官，例如花，葉，根和莖，其沿其身體軸線發(fā)展。由于許多植物呈圓柱狀，最重要的軸變成頂端 - 基部(莖 - 根)軸，即頂端(頂部)發(fā)育成芽，包含花，莖和葉，以及基部(底部)部分)成長為根。作為植物起源的受精卵細胞(受精卵)從其第一次細胞分裂開始建立植物的體軸。

在細胞分裂發(fā)生之前，受精卵內(nèi)的內(nèi)容物變得不均勻(極化)。這導(dǎo)致不等(不對稱)細胞分裂，在頂部產(chǎn)生相對小的細胞而在底部產(chǎn)生大細胞。

“雖然受精卵的極化和不對稱細胞分裂形成體軸是藻類，苔蘚和開花植物中常見的現(xiàn)象，但細胞極性的起源以及細胞分裂不對稱的發(fā)生方式至今仍是一個謎。” Minako Ueda，名古屋大學(xué)ITbM講師，該研究的負責人。“這很困難的原因是因為沒有一種有效的方法來觀察細胞分裂的動態(tài)，使用隱藏在植物深處的活體受精卵，”她繼續(xù)道。

2015年，名古屋大學(xué)的Daisuke Kurihara博士研究小組報告了一種可視化模擬植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)生物胚胎生長的技術(shù)。Ueda，Kurihara和他們的同事提高了這種成像技術(shù)的分辨率，以便能夠觀察細胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“這項研究中最困難的部分是能夠確定合適的標記來觀察植物細胞的內(nèi)容，”Ueda解釋說。“在肯塔基大學(xué)的Tomokazu Kawashima博士和孟德爾研究所的Frederic Berger教授的幫助下，我們嘗試了基于綠色熒光蛋白(GFP)的彩色標記的不同組合，以在細胞內(nèi)的不同組分之間形成對比。我們小組的研究生Yusuke Kimata進行了實驗，觀察受精后卵細胞實際發(fā)生的情況。“

該小組首次成功實現(xiàn)了植入卵細胞的細胞骨架如何在受精后被分解，然后重組以在細胞中產(chǎn)生極性，最終導(dǎo)致不對稱的細胞分裂。植物細胞含有兩種主要的細胞骨架，即微管(MT)和肌動蛋白絲(F-肌動蛋白)，它們有助于細胞保持其形狀，提供機械支持并使細胞分裂和移動。Ueda和Kimata使用MTs和F-actin的熒光標記來觀察它們在受精前后的變化情況，以及兩種纖維如何在受精卵的極化和不對稱分裂中發(fā)揮作用。

“從我們的活細胞成像實驗中，我們觀察到最初沿未受精卵細胞的上下軸排列的MT，在受精時解體，導(dǎo)致細胞收縮，”Ueda說。“在接近3個小時后，受精卵頂部出現(xiàn)了一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從那里凸出細胞伸長出細胞。這個環(huán)結(jié)構(gòu)在細胞伸長的同時被保留下來。最后，MT在大約18小時后聚集在細胞核周圍并且分發(fā)了染色體，最終在大約22小時后導(dǎo)致細胞分裂，“她繼續(xù)說道。“當我們看到這部電影時，我們感到非常興奮，因為這個事件與我們之前看到的完全一樣。

該小組隨后通過實時成像技術(shù)研究了F-肌動蛋白的動力學(xué)。以與MT類似的方式，受精時破壞未受精卵細胞中F-肌動蛋白的初始組裝。

“F-actin的不同之處在于它們在受精后沿著上下軸排列，并聚集在細胞尖端的帽狀結(jié)構(gòu)中，”Ueda描述道。“我們能夠觀察到卵細胞受精后MT和F-肌動蛋白的初始組裝被破壞，并且生長的受精卵逐漸將這些纖維以與卵細胞不同的模式對齊。這是第一次可視化不對稱細胞分裂的實時事件，我們能夠看到其他事件，如受精卵的細胞伸長和細胞核的遷移。

該小組不僅成功地觀察了合子極化和不對稱細胞分裂的實時事件，還能夠量化細胞骨架的動態(tài)模式(即分別形成環(huán)結(jié)構(gòu)和縱向陣列的MT和F-肌動蛋白) 。東京大學(xué)的圖像分析專家Takumi Higaki博士和Seiichiro Hasezawa教授進行了這些詳細的量化實驗。

該小組假設(shè)MT和F-肌動蛋白在受精卵中發(fā)揮不同的作用，因為它們在細胞中的排列不同。為了研究它們的特定作用，他們使用每種蛋白質(zhì)的抑制劑來觀察它們對受精卵極化和不對稱細胞分裂的影響。

“通過實時成像，我們看到MT的抑制阻礙了合子伸長，導(dǎo)致形成圓形和腫脹的受精卵頭形狀，”Ueda說。“另一方面，當我們抑制F-肌動蛋白時，細胞核無法向上移動并保持在受精卵中心附近。因此，細胞分裂發(fā)生在細胞核的位置，導(dǎo)致幾乎對稱的細胞分裂，生成的細胞大小相似的地方。“

該研究結(jié)果表明，MTs負責沿著上下軸伸展受精卵，而F-肌動蛋白在將細胞核移向受精卵頂部起作用，使其為不對稱細胞分裂做好準備。

“我們能夠通過活細胞成像顯示，卵細胞受精后細胞發(fā)生極化，MT和F-肌動蛋白在誘導(dǎo)不對稱細胞分裂形成植物體軸方面發(fā)揮作用，”Ueda說。“我們希望能夠通過觀察植物受精卵中的更多成分來找到導(dǎo)致極化的原因以及正在細胞中分布的成分的確切起源。我們設(shè)想這項工作將導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)開花植物如何進化成形他們目前的結(jié)構(gòu)和形狀。“