巨大单细胞的生长如何与日常自我节律交织在一起

藻类是一种由一个延伸的细胞组成的海洋藻类，尽管每株植物可以长到一米宽。虽然花椰菜植物内有许多单独的细胞核，但它不包含通常会将植物分成许多单独细胞的细胞膜，从而形成细胞质粘液的自由漂浮环境。因此，考勒帕向发育生物学家提出了有趣的问题——它如何在不由单独的细胞组成的情况下执行植物的正常功能?

大多数植物之所以能够生长，是因为它们的每个活细胞都承担着特定的任务，例如发芽成叶子或茎。许多多细胞生物都会经历这种分化过程。例如，心脏和大脑等专门的人体器官是由一团胚胎细胞发育而来的。研究人员推测，分化的关键是细胞与周围其他细胞沟通的能力，协调它们的活动，使胚胎“打破对称性”并发育成不同的部分。

但是，像Caulerpa这样的单细胞植物如果没有专门的细胞进行通信来引导对称性破缺，它是如何生长的呢?

“细胞生物学的一个主要范式是，细胞的内部环境是由其环境和细胞核中发生的情况决定的。但在考勒帕，没有任何东西可以将细胞核与另一个分开，”加州理工学院博士后学者EldadAfik说。

“考勒帕如何创造我们所熟悉的多细胞植物器官的差异化环境?我们的假设是，植物发出与昼夜光周期同步的叶绿体波。”

由Afik领导的乔治·W·比德尔(GeorgeW.Beadle)生物学教授兼霍华德·休斯医学研究所研究员ElliotMeyerowitz实验室的一项新研究表明，考勒帕维持着一种由昼夜光周期引导的内部时钟。

在这段延时视频中，藻类在白天用叶绿体波淹没自己，并在黑暗中变得安静。通过这种方式，昼夜节律引导它们的生长。图片来源：加州理工学院

研究表明，光可以刺激考勒帕在其全身发射叶绿体波，进行光合作用以产生能量并生长。Caulerpa可以自我调整以适应不同的白天和黑夜长度——白天12小时，晚上12小时，或其他一些变化——尽管研究人员仍然不确定这一过程背后的分子机制。

这项研究题为“巨型单细胞绿藻中光驱动的宏观波、生物钟和形态发生”，发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员推测，叶绿体在有光的情况下会进行光合作用，将光子转化为植物所需的能量。当没有光时，植物会进行呼吸——光合作用期间储存的能量被植物消耗掉。研究人员表示，这两种不同的状态可以创造出两种不同的环境，充当对称破坏者。

研究小组发现，不同的光照条件会产生不同的形态(植物的外观)。在12小时亮光和12小时黑暗周期下生长的Caulerpa植物比在24小时恒定可比光下生长的植物显示出更少和更长的叶子。昼夜循环似乎很重要，可以向植物发出何时该生长、何时该“休息”的信号。

“在未来的工作中，我们的目标是研究叶绿体波如何与新陈代谢以及植物不同部分之间的同步性以及它们最终形成的不同形状联系起来，”阿菲克说。

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