生命新发现，不同种类的植物细胞可以交换细胞器

• 叶绿体在植物的细胞壁内运动。新的研究表明，在植物嫁接中，整个细胞器有时可以穿过细胞壁上的特殊气孔进入不同物种的细胞。

十多年前，植物遗传学家在观察植物嫁接时发现了一些奇特的现象。当两株植物生长在一起时，每一株植物的细胞都显示出从另一株获得了大量DNA的迹象。就其本身而言，这并不是史无前例的，因为基因水平转移在细菌、真菌、植物甚至动物中并不罕见。但在这种情况下，转移的DNA似乎是叶绿体完整的基因组。这带来了一个难题，因为植物细胞将自己封闭在细胞壁内，没有明显的途径让这么多的DNA进入。

现在，研究人员通过拍摄视频，终于找到了答案。不仅细胞壁比想象的多孔，而且植物似乎已经发展出一种机制，使整个细胞器能够爬过细胞壁进入相邻的细胞。

瑞典乌普萨拉农业科学大学研究嫁接的植物生物学家查尔斯·梅尔尼克说：“真正的新奇之处在于，他们展示了实际的细胞器在移动，而不仅仅是从一个细胞移动到另一个细胞。”“这是两种不同的植物交换细胞器。”

至少从古罗马时代起（汉代至魏晋时期），农民就开始使用植嫁接物来种植果树和葡萄藤。将一个接穗（植物开花结果的部分）嫁接到固定的根茎上，可以帮助幼小的果树提早结出果实，提高它们对病虫害的抵抗力。嫁接也发生在自然界中，紧密相连的植物会相互接触，最终融合在一起。在移植部位，植物会形成愈伤组织，通过伤口的组织重新恢复水和营养的流动，有时还会产生新芽。

大约十年前，研究人员将两种烟草植物嫁接在一起，并对愈伤组织两边的基因进行测序。他们发现叶绿体的整个基因组在砧木和接穗之间发生了交换。（和线粒体一样，叶绿体和其他被称为质体的植物细胞器都是古代内生细菌的残余，携带着它们自己的遗传物质。）事实上，整个150千碱基的叶绿体基因组被完整地转移，而不是像裸露的DNA片段在其他基因之间随意重组。

罗格斯大学的植物科学家帕尔·马里加说，“这不是你所期望的植物细胞会发生的情况。”马里加独立发现了移植物中叶绿体和线粒体转移的遗传学证据。植物细胞有一层坚硬的细胞壁，所以“我对植物细胞的印象是，细胞质被关在笼子里，”马丽加说。

转移的遗传证据提出了一个真正的难题，细胞壁上唯一已知的开口是微小的胞间连丝，这是一种狭窄的“桥”（只有大约0·05微米宽），允许相邻的植物细胞交换蛋白质和RNA分子，而叶绿体通常直径约为5微米。

这个谜团一直持续到亚历山大·赫特尔用电子显微镜观察移植物薄片，他发现细胞开口比以前见过的都大。但即使是那些直径可达1.5微米的细胞，对于叶绿体来说也显得太窄了。

然后，在观察愈伤组织中的活细胞时，赫特尔捕捉到了叶绿体迁移的图像。一些叶绿体变成了更原始、更活跃的原质体，小到0.2微米。在赫特尔的观察下，原质体沿着细胞膜内侧爬行，到达新发现的细胞壁孔下面的位置。胞膜的芽状突起进入相邻的细胞，形成细胞器。当移植物中的组织组织重新建立时，叶绿体恢复到叶绿体的正常大小。

所以细胞壁上肯定有小孔，可以让质体通过。叶绿体的变态还没有被很好地理解，但它似乎是对碳饥饿和较少的光合作用的反应。当研究人员关灯后，他们观察到更多的质体去分化，细胞器转移的频率增加了5倍。

被转移的质体在新的宿主细胞中如何发挥作用取决于这两个物种的亲缘关系有多近。如果基因与核DNA的不匹配过于极端，细胞器可能无法工作，最终会丢失。但它们可以在近亲的细胞中茁壮成长。

马利加怀疑原质体可能含有或产生帮助移植物伤口愈合的信号分子。在细胞壁上形成的大开口似乎也是植物对移植物部位伤口的紧急愈合反应的一部分，但它们也可能发生在正常植物发育的某些阶段。

整个细胞器的迁移可以帮助解释观察到的现象，即生长在彼此相邻的不同山毛榉树丛中的叶绿体比生长在间隔更广的山毛榉丛中的叶绿体有更多的遗传相似性。叶绿体捕获事件也解释了为什么研究人员在重建植物进化历史时有时会得到不一致的结果，细胞核和叶绿体基因组可能有不同的谱系。

目前还不清楚这种通过细胞器迁移的基因组转移在自然界中发生的频率。也许植物在细胞间移动叶绿体是为了应对伤害，没有人知道。但是，如果植物进化出了一种细胞器转移的机制，那么相对罕见的自然嫁接事件可能只是它们的一次机会。

不论是否普遍，这种现象都可能具有进化或生态意义。，一旦嫁接愈伤组织中的花叶细胞开始产生根、发芽和开花，它就可能产生一个新物种或亚种，特别是当细胞壁开放到足以容纳细胞核基因组时。如果大自然提供了一种在植物之间转移细胞器的简单方法，生物技术研究人员就可以用它来创造理想的新作物物种。