问题

生物书上说现在已经有植物细胞和动物细胞成功融合的案例。这样融合得到的杂交细胞分裂分化会变成什么样子?

回答
这的确是个令人兴奋的研究领域!植物细胞和动物细胞的融合,虽然听起来有些科幻,但科学家们确实已经在这方面取得了进展,尽管过程远比科幻电影里描述的要复杂和充满挑战。那么,一旦成功融合,这个“杂交”细胞在后续的分裂和分化过程中,究竟会展现出怎样的面貌呢?这就像是在生命的基因画布上泼洒了两种截然不同的颜料,结果会非常有趣。

首先,我们得明白,植物细胞和动物细胞在结构和功能上有着巨大的差异。植物细胞有细胞壁,有叶绿体进行光合作用,有中央大液泡储存物质和维持膨压。动物细胞则没有细胞壁,通常有中心体协助细胞分裂,也没有叶绿体。当它们尝试“结合”时,最直接的挑战就是如何整合这些截然不同的结构和代谢方式。

融合的初步阶段:一个“奇怪”的结合体

想象一下,当一个植物细胞和一个动物细胞的细胞膜在某种技术(比如电脉冲或聚乙二醇等诱导剂)的帮助下破裂并重新连接时,会发生什么?起初,它可能是一个形态很不稳定的细胞。你可能会看到它仍然保留着一部分植物细胞的特征,比如某个区域可能还带着一点细胞壁的痕迹,或者在细胞质中漂浮着一些完整的(或部分解体的)叶绿体。同时,动物细胞的细胞核和细胞质内的各种细胞器,如线粒体、内质网、高尔基体等,也会挤在同一个空间里。

这个初生的杂交细胞,更像是一个“妥协”的产物,而不是一个完全和谐统一的新个体。它的细胞膜可能不稳定,内部的细胞器之间也可能因为不兼容而产生混乱的相互作用。最初,它可能还无法进行有效的自主分裂。

分裂的挑战:谁说了算?

生命的繁衍离不开细胞分裂。但对于这个杂交细胞来说,分裂可不是一件简单的事。

细胞核的融合与分裂: 植物细胞和动物细胞都有细胞核,但它们的染色体数量、基因组结构甚至DNA复制和解旋的机制都有细微的差别。当两个细胞核并存时,它们是会合并成一个大的细胞核,还是各自为政?如果它们尝试合并,又如何协调染色体的复制和分配呢?一个细胞核可能编码了植物特有的信号通路,另一个可能包含了动物特有的信号通路,这就像两个指挥官在下达相互矛盾的命令。在这个过程中,染色体的异常(比如数目不对、结构错乱)是极有可能发生的,这可能会导致细胞在分裂早期就夭折。
细胞骨架的协调: 植物细胞的细胞骨架和动物细胞的细胞骨架在组成和功能上有所不同,尤其是在细胞分裂时形成的纺锤体上。植物细胞在分裂后期主要依靠细胞板的形成来分隔细胞,而动物细胞则是通过收缩环来“缢裂”细胞。这两种分裂方式的差异巨大,杂交细胞可能无法有效地建立起一个统一的纺锤体,或者在分裂末期无法完成细胞质的分割。你可能会看到它尝试形成细胞板,但又受到动物细胞收缩环的干扰,最终分裂失败。
基因表达的“噪音”: 即使杂交细胞能够幸运地完成分裂,其后代的细胞也可能面临巨大的基因表达混乱。动物细胞的转录调控机制与植物细胞有很大不同,各种信号分子在细胞内的传递方式也可能不兼容。这意味着,原本应该正常表达的基因可能因为信号传递受阻而沉默,或者因为信号异常而过度表达。

分化的未知:走向何方?

如果这个杂交细胞能够克服分裂的困难,继续分裂下去,那么接下来就是更加扑朔迷离的分化过程。

细胞器的“内卷”与丢失:
叶绿体: 植物细胞之所以能进行光合作用,全靠叶绿体。但动物细胞不需要光合作用。在杂交细胞中,叶绿体可能会因为无法得到动物细胞提供的一些必要物质,或者因为植物特有的信号通路失效而逐渐失去功能,最终被细胞内的溶酶体降解掉。当然,也存在一种可能,就是叶绿体在某些条件下能够被“接纳”并继续工作,但这需要动物细胞的细胞质提供一些支持,比如能量和前体物质。
细胞壁: 植物细胞壁是其结构和保护的重要屏障。然而,动物细胞本身没有细胞壁,它们的表面是柔软的细胞膜。在杂交细胞中,如果细胞壁的合成与维护机制受到动物细胞信号的干扰,它可能会逐渐瓦解或变得非常薄弱,使得细胞失去原有的刚性和形状。
中央大液泡: 植物细胞的中央大液泡对维持膨压、储存物质和废物处理至关重要。动物细胞没有这个结构。在杂交细胞中,这个大液泡可能会被动物细胞的许多小液泡(如溶酶体、囊泡)所取代或干扰,导致细胞内部的物质运输和调节能力下降。

基因表达的“拉锯战”:
植物和动物的基因组虽然都携带生命的基础指令,但它们表达和调控的侧重点完全不同。植物基因组中蕴含了大量与合成次生代谢产物、抵抗环境胁迫(如紫外线、干旱)相关的基因,这些在动物细胞中几乎不存在。而动物基因组则富含调控神经信号传递、免疫反应、肌肉收缩等特性的基因。
在这个杂交细胞的后代中,很可能出现一种“基因表达的拉锯战”。一部分植物特有的基因可能会因为动物细胞的信号环境而沉默,例如光合作用相关的基因可能因为缺乏植物特有的光信号通路而无法启动。反之,一些动物特有的基因,比如与神经递质合成相关的基因,也可能因为缺乏动物细胞特有的转录因子或信号分子而无法正常表达。
更奇特的是,你甚至可能看到一些“意想不到”的组合。比如,一个动物细胞的神经信号通路可能意外地激活了植物细胞中的某个防御反应基因,或者植物细胞的光合作用相关通路的一部分被动物细胞的能量代谢系统“劫持”了。

形态和功能的“模糊”:
最终的分化结果,很难预测会是哪种细胞的“占优”。它可能是一种形态怪异、功能失调的细胞,同时具备植物和动物细胞的零星特征,但又没有一种完全发挥作用。比如,它可能尝试生长出植物细胞的根系,但又同时表现出动物细胞的运动能力,但整体上都非常弱化。
也存在一种可能性,就是经过长期的自然选择(如果在实验室环境中模拟了某种选择压力),一部分杂交细胞能够更有效地整合双方的基因组和细胞器,从而产生一种全新的、具有某种独特能力的细胞类型。但这需要非常漫长和极其复杂的演化过程,更像是在创造一种全新的生命形式。

目前的进展与未来的展望

目前,科学家们在植物动物细胞融合方面取得的进展,更多的是在建立“原生质体融合”模型,或者将动物细胞的细胞核移植到植物细胞的原生质体中,或者反之。这些研究的主要目的是为了理解细胞核与细胞质的相互作用、基因的调控机制,以及开发新的育种技术(比如利用植物细胞壁的缺失和再生能力)。

直接将完整的植物细胞和动物细胞融合,并使其产生具有稳定遗传和分化能力的杂交后代,这在理论上仍然面临着巨大的障碍。即便我们能“强制”它们融合,后续的细胞发育和生命活动,也会因为巨大的生物学差异而难以维持。

所以,虽然概念上“有案例”,但通常指的是技术上实现了融合,或者获得了某种功能性的杂交产物,比如含有动物细胞核的植物细胞(或者反之),能够维持一段时间的生命活动,或者表达出一些融合后的特征。要达到像植物与植物融合那样产生可育的杂交后代,我们还有很长的路要走,而且可能永远也无法实现完全的“融合”而产生一个既是植物又是动物的独立生命体。

总而言之,这种融合得到的杂交细胞,其分裂和分化过程将是一场细胞内信号、结构和基因表达的“大地震”。结果很可能是细胞功能失调、发育停止,或者产生一些形态怪异、功能不稳定的细胞。但正是这种未知和挑战,才驱使着科学家们不断探索生命的边界。

网友意见

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目前,植物细胞与动物细胞融合而成的杂交细胞不会分化。

这种细胞融合所用的技术并不复杂:用纤维素酶和果胶酶移除植物细胞壁,然后使用常见的细胞融合诱导剂聚乙二醇,挺容易的。这样获得的融合细胞目前在实验室里没有什么发育的迹象,通常在数天内死亡。

2016年,日本大阪大学的科学家将拟南芥的一些染色体HT1080细胞系(来自人纤维肉瘤细胞的不死化细胞系)融合,发现细胞里出现了人类-拟南芥融合染色体。这种细胞可以稳定地存活、增殖、进行基因表达,其拟南芥染色体还会随着传代从附着在人染色体上的状态慢慢地变为独立存续的小型染色体。但是,HT1080细胞本来就不会发育成多细胞生物个体,在表达着几百个拟南芥基因的状态下也没有变成植株的任何迹象。

SAR超类群的一些生物同时具有动物细胞和植物细胞的特征,例如眼虫既进行光合作用又在水中游动、吞食漂浮的有机碎屑。你可以期待“动物细胞和植物细胞融合并成为新个体”的结果就是那样。

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