特殊情况下，原来父本也可以将叶绿体遗传给后代

在寒冷的条件下，不仅是母体植物，而且父植物也可以将其叶绿体遗传给后代。

　　

德国波茨坦马克斯·普朗克分子植物生理学研究所的科学家们首次分析了在大范围环境条件下叶绿体的遗传。与普遍认为叶绿体只由母体传递的观点相反，父本叶绿体在寒冷条件下也可以传递给子代。因此，母体和父亲的叶绿体在后代中相遇，并可能彼此交换遗传物质。这项新发现可能使植物育种家第一次有选择性地利用来自叶绿体遗传物质的性状。

一个关于花和蜜蜂的故事是对一个话题的经典介绍，这个话题在我们的社会中仍然很少被讨论:植物中的性!当植物繁殖时，花粉粒中的精子与花粉落在花中的卵细胞融合。通过这种方式，双亲细胞核的遗传物质在种子中结合。这很重要，因为它可以清除有害的突变，否则这些突变会在几代人的遗传物质中积累。

细胞器拥有自己的基因组

除了细胞核中的遗传物质外，线粒体和叶绿体也含有遗传物质。线粒体是细胞的内燃机。动物和植物细胞利用它们燃烧碳水化合物，并利用释放的能量进行新陈代谢。植物还有叶绿体。它们含有绿色色素叶绿素，是电池的太阳能发电厂。叶绿体让植物在光合作用过程中收集太阳能，产生碳水化合物。

线粒体和叶绿体有自己的遗传物质，因为它们起源于10亿多年前现代动植物细胞祖先所携带的细菌。线粒体和叶绿体在细胞内建立了一个共生群落，以前的室友现在已经成为植物生存所不可或缺的。

众所周知，线粒体和叶绿体的基因组不同于细胞核中的遗传物质，它们不是平等地从父亲和母亲那里遗传的。两者几乎都是由母亲遗传的，因为它们要么根本不进入精子，要么它们的遗传物质在花粉中被降解了。如果来自父母的线粒体和叶绿体从未相遇，它们就不能通过性来交换遗传物质。因此，有害的基因突变会在几代人之间累积，最终导致基因组崩溃。

科学家们评估了近400万株植物

马克斯·普朗克分子植物生理学研究所的科学家们现在发现，与通常的看法相反，烟草植物在特定的环境条件下可以常规地从父植物传递叶绿体。研究人员首先培育了具有抗抗生素叶绿体的父植物。然后将这些植物暴露在花粉成熟期间的各种环境条件下，如热、冷、干旱和强光。这些植物的花粉被用来给未经改良的母体植物授粉。

这种杂交产生的种子在含有适当抗生素的培养基上生长。由于只有父系叶绿体在这种培养基上存活，含有来自父系植物的叶绿体的细胞呈现绿色，而只有母系遗传的叶绿体的植物则是苍白的，因为这些叶绿体由于对抗生素的敏感性而漂白。由于父系遗传的叶绿体极其罕见，科学家们不得不研究了近400万株幼苗，以证明父系遗传的叶绿体在冷处理下的比例比常温下高150倍。

叶绿体的遗传可以被操纵

在取得初步成功后，研究人员深入研究了细节:“我们知道寒冷会降低酶的活性。因此，我们怀疑一种酶可能参与了阻止叶绿体的父系遗传，”同样参与这项研究的Enrique Gonzalez-Duran评论道。科学家们选择性地培育了携带一种有缺陷的酶的植物，这种酶通常会在花粉成熟过程中降解叶绿体的遗传物质。具有缺陷酶的植物叶绿体的父系遗传也大大增加。当酶缺陷和花粉发育过程中的冷施结合在一起时，父本遗传率为2%至3%。“这听起来可能不多，但与正常情况下发生这种情况的几率为10万分之一相比，这是巨大的。研究的另一位作者Kin Pan Chung说:“发现母系和父系遗传的叶绿体是否真的相互交换遗传物质将是非常有趣的。”

叶绿体的遗传可以通过温度和植物中单个酶的变化来控制，这一发现为植物育种开辟了全新的可能性。“由于以前认为线粒体和叶绿体总是一起遗传的，而且只能从母亲那里遗传，所以没有办法分别传递它们遗传物质中编码的特征。研究小组负责人拉尔夫·博克(Ralph Bock)解释说:“通过简单地将植物置于寒冷的环境中，就可以将叶绿体从父亲那里传递出去，这为全新的育种项目打开了大门。”

为什么线粒体和叶绿体很大程度上是遗传自母亲的还不清楚。事实上，这种遗传可以灵活地对环境条件做出反应，这可能会导致进化生物学家重新思考他们目前的一些理论和模型。“这也表明，在基因研究中考虑环境条件是多么重要。几十年来，叶绿体让我们相信它们的性生活是节制的，但现在我们不能再这么肯定了，”博克说。

Journal Reference:

1. Kin Pan Chung, Enrique Gonzalez-Duran, Stephanie Ruf, Pierre Endries, Ralph Bock. Control of plastid inheritance by environmental and genetic factors. Nature Plants, 2023; DOI: 10.1038/s41477-022-01323-7