在植物细胞内部，为了维持生命，会同时发生许多事件，涉及各种基因和物质。因此，要明确某一事件中到底是哪种基因或物质在起作用、又是如何起作用的，并非易事。日本东北大学研究生院生命科学研究科的植田美那子教授，与日本秋田县立大学系统科学技术学部的津川晓助教等人组成跨领域研究团队，通过聚焦植物细胞“形态”变化的降维处理，并结合力学模型与数值模拟技术，致力于破解复杂生命系统之谜。
以拟南芥为研究对象
聚焦最简单的受精卵阶段
目前，解析各种生物基因序列的研究正在快速推进。然而，即使像目录一样掌握所有基因信息，要理解在构建复杂生命系统时哪些基因在何时通过改变何种物质发挥作用，仍存在许多未知。构成植物的根、茎、叶等器官形成时，各种基因与物质究竟扮演着什么样的角色？这正是日本东北大学的植田美那子教授所研究的主题——植物发育机制。
为了简化生命系统中同时发生的复杂现象，植田教授首先只关注植物细胞“形态”的变化，构建了“降维”的力学模型。她将实际观测数据与力学模型的模拟结果进行对照，基于以整体视角理解生命系统的方法，尝试揭示植物发育的奥秘。
目前，植田教授研究的对象是拟南芥的受精卵。拟南芥是一种基因组已全部解读完成的模式植物，广泛用于各个领域的研究。“当细胞分裂发展到一定阶段后，各种基因的作用相互交织，难以单独研究某个特定事件。因此，我们选择聚焦于从一个细胞分裂为两个细胞的最简单阶段——受精卵。”
高精度观测与力学建模
揭示细胞“形态”变化的奥秘
在观测受精卵细胞时，采用了能在细胞存活状态下进行观测的“活体成像”技术。植田教授使用具有优异穿透性的双光子激发显微镜进行活体成像，确立了高精度观测受精和胚胎发育等深层组织变化的技术。目前，即使放眼全球，也只有植田教授的研究室能够熟练运用这一方法。她的研究室内配备了两台双光子激发显微镜，可进行长时间的观测（图1）。
图1 双光子激发显微镜使用近红外激光，具有极高的透过性，可高精度观察到活体细胞深处。
然而，仅通过活体成像技术观测细胞变化，还不足以揭示基因与物质的具体作用机制。因此，植田教授与秋田县立大学助教津川晓展开合作——他专攻将植物机制转化为力学模型进行模拟的“植物力学”领域，同时精通图像分析技术。他们通过解析活体成像获得的高精度图像数据，构建力学模型模拟体系，稳步推进研究工作。
目前在日本科学技术振兴机构（JST）的CREST项目中，植田教授作为项目负责人，与津川老师以及专攻生物图像解析的熊本大学研究生院先进科学研究部桧垣匠教授、理论生物学专家——广岛大学研究生院统合生命科学研究科的藤本仰一教授等人组成团队。津川老师介绍说：“由于大家的研究背景各不相同，我们最初是从互相学习专业术语开始的。现在我们仍会每月举行会议，不断讨论。”
解析“内外”形成机制
不断调整激光强度的试错过程
项目启动约三年后，植田教授的团队已取得了许多研究成果。2023年，他们成功精细捕捉到植物受精卵在伸长并进行第一次细胞分裂的过程中，形状与速度的动态变化。结果发现，与一般植物细胞不同，受精卵会以 “顶端生长”这种特殊的方式变得细长。次年，研究团队进一步构建出能够再现这一生长过程的力学模型，指出只需考虑细胞内部的膨压和细胞表面的柔软性这两种力学因素，就能解释受精卵的伸长过程（图2）。
图2 再现受精卵形态变化的力学模型。仅通过细胞内压力与表面柔软性的组合，即可再现多种变形模式。
此外，团队还发现，植物胚胎发育过程中如果最外层起作用的基因发生突变，则会形成内外组织特性混杂的胚胎。（图3-A）。通过活体成像，他们成功观察到从受精卵第一次分裂到形成内外轴的胚胎发育过程（图3-B）。更进一步，他们借助力学模型模拟，确定了细胞分裂方向由第一次分裂后的细胞形态及核的位置决定的数学规律（图3-C）。由此揭示了植物最初如何形成“内外”结构的机制。
图3 A：利用荧光标记显示表皮相关基因（绿色）与胚整体基因（粉红色）的拟南芥胚胎。
B：野生型胚胎发育的活体成像图像（右上数字为时间，单位为分）。
C：基于胚细胞形状与细胞核位置进行模拟推测出的分裂方向，与实际分裂面一致。
在取得这些多样化成果的过程中，经历了诸多艰辛与创新。由于受精卵深藏于种子内部，最初几乎无法详细观察。经过反复试验，研究团队最终开发出一种结合“仅使受精卵发光的植物”与“能透视组织深层的双光子激发显微镜”的技术，从而能够清晰地观察到活体受精卵的内部结构（图4）。此外，植田教授回忆，当时还必须反复调整作为显微镜光源的近红外激光的输出功率，因为光线过强会损伤细胞。
图4 将薄皮的幼小种子直接浸入液体培养基中，可从外部清晰观察受精卵内部。右图为双光子激发显微镜图像。
此外，活体成像也面临挑战：拍摄过程中受精卵的轻微移动会导致图像抖动，影响数据的精确定量。由于含有受精卵的种子置于液体培养基中且处于生长状态，难免发生细微移动。对此，津川助教采用从图像中提取细胞轮廓与特征点，通过平移与绕细胞轴旋转的方式进行配准的方法，成功实现了细胞轮廓的固定（图5）。解决位置偏差的问题后，连肉眼难以分辨的微小生长也能被精确测量，使数据的高精度量化成为可能。
图5 通过提取细胞轮廓与特征点后进行平移对齐，再确定细胞轴并旋转，从而固定细胞轮廓，获取细胞生长的精密定量化数据。
在品种改良与环境科学方面具有潜力
正在探索更进一步的跨领域融合
近期的研究成果之一，是对“微管”这一与细胞形态变化相关的物质的研究。拟南芥的受精卵在生长过程中，细胞尖端附近会形成一个环状的“微管带”，随着细胞的生长，这个微管带会向细胞尖端移动。尽管通过活体成像已经观察到这一现象，但微管带为何会向尖端移动，其机制尚不清楚。
因此，植田教授团队通过分析活体成像图像，对微管带的宽度和移动速度进行了定量化处理。再将这些数据与力学模型的模拟结果进行比对，最终揭示了微管带移动的机制。虽然显微镜对细胞内现象的观察非常有效，但对于比细胞更小的纳米级的微管，其精确观察仍存在局限性。本研究显示，将观测数据引入模拟，可以有效桥接细胞尺度的行为与分子尺度的行为，实现跨尺度分析。
迄今为止的研究成果，也可应用于品种改良和环境科学。例如，将“抗病能力强的品种”与“口感好的品种”进行杂交时，会发生胚胎死亡、生长不良等状况。如果能查明受精卵内部发生了什么，就能提高杂交成功率。此外，利用力学模型对细胞群体运动进行模拟，也有望应用于通过控制微小纤维制造的纤维增强材料和复合材料等领域。说起这些可能性，津川老师眼中闪烁着兴奋的光芒。
对于目前取得的成果，植田教授评价说终于看到了整体框架。“今后不仅希望推进降维研究，还希望开展高维研究。此外，我们计划与机械工程领域的专家合作，用精密器械直接接触细胞观察其变化；或者与化学领域的研究者合作，尝试使用不同于以往的荧光染料，进一步推动跨领域融合。”（TEXT：肥后纪子、PHOTO：渡会春加）
原文：JSTnews 2025年11月号
翻译：JST客观日本编辑部
