物理力如何从内到外塑造植物以生成其复杂的3D形状

植物不仅会生长，还会生长。从高耸的树木到精致的花朵，复杂的植物形状被雕刻得非常精确。现在，蒙特利尔大学生物学家和生物物理学家的一项研究揭示了植物是如何在三维空间中构建器官的

科学家在上周发表在《自然植物》杂志上的论文中表示，花药——花朵的雄性生殖器官——是负责产生和释放花粉的关键结构，在受精过程中起着关键作用，受精是果实和种子生产所必需的过程

这是科学家首次根据实验数据成功地对植物器官深处细胞的物理特性进行逆向工程

这些器官容纳的不仅仅是眼睛

在UdeM的两位副教授Daniel Kierzkowski和Anne-Lise Routier-Kierzkowska的带领下，研究人员在几天内跟踪了花药中每个细胞的生长，揭示了花药是如何从一组简单的干细胞开始发展成一个复杂的3D结构的

结合分子生物学和生物物理学，科学家们解决了一个基本问题：细胞如何在器官间进行交流，以协调其生长并产生复杂的形状

机械力在起作用

植物是由被坚硬细胞壁包围的微小细胞组成的，这些细胞壁被组织成组织层。表皮是最外层，很容易用显微镜观察，被认为在积极控制生长和发育方面起着关键作用

在他们的研究中，UdeM的科学家们通过证明内部细胞积极塑造复杂的花药形态来挑战这一观点。他们使用先进的成像方法，在3D中量化了整个复杂器官所有组织层的细胞生长

这是一项了不起的壮举：以前从未有任何植物和动物系统以这种方式在3D中绘制过地图

科学家们发现，内部组织中的细胞比表皮生长得快得多，因此从内到外塑造了年轻的器官

UdeM生物科学系的分子生物学家Kierzkowski说：“传统上，对植物发育的研究侧重于表皮作为决定器官生长的关键组织。”

但我们的数据显示，内部细胞的局部快速扩张通过积极向外推动、拉伸周围的表皮来驱动花药的生长。“

”生物物理学家Routier Kierzkowska补充道：“内部组织施加的机械力会改变表皮的生长模式并改变其细胞形状。”他担任加拿大可持续农业和气候适应性植物生物物理学研究主席。

“这是通过物理力在组织层之间进行细胞协调的一个例子。”。科学家们说：“

‘鼓励重新检查’

这项工作强调了内部组织在形态发生过程中的重要性，由于量化表皮下生长和机械特性的技术挑战，这一方面经常被忽视。

Kierzkowski说：“我们的工作鼓励重新检查其他植物器官和动物系统，其中内部组织可以发挥类似的作用。”

除了解释花药如何形成外，这项工作还可能对发育生物学产生重大影响，Routier Kierzkowska补充道。

她说：“这些不同的生长能力导致机械相互作用，进而塑造整个器官以及组织内的单个细胞。“

展望未来，该团队计划研究植物如何通过组织之间的机械相互作用产生复杂的运动，如藤蔓的旋转运动或在土壤中钻根。

”Routier Kierzkowska说：“我们的工作可以启发智能材料和软机器人的设计。可能性很大。植物将继续在许多方面给我们带来惊喜。p