剛剛授粉的擬南芥花，摘掉了鏡頭前面的萼片和花瓣。段巧紅供圖
被子植物的受精過程是種子形成的關鍵環節。防止多個精細胞與卵細胞結合，即多精受精，對於維持後代基因組的穩定是非常重要的一件事。
3月19日，《自然》在線發表了山東農業大學與美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校共同完成的最新成果。經過多年努力，他們發現了被子植物阻止多個花粉管進入胚珠的分子機制。
論文第一作者、山東農業大學園藝科學與工程學院教授段巧紅告訴《中國科學報》，扮演這一重要角色的就是擬南芥FERONIA受體激酶。它在花粉管與胚珠相互作用中具有「雙重調控機制」：既負責調控花粉管進入胚珠後破裂從而釋放精細胞的機制；也負責阻止別的花粉管進入已經「名花有主」的胚珠。
「明星受體」備受關注
在長期進化過程中，開花植物進化出了花管粉受精現象，就是通過花粉管把不能運動的精子傳遞到胚珠中卵細胞。中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員楊維才告訴《中國科學報》：「這一進化結果使得受精不再依賴於水環境的存在，所以對開花植物適應陸生環境至關重要。同時，花管粉受精具有種屬特異性（生殖隔離）和花粉管與雌配子體的一對一的關係。也就是說一個雌配子體只允許一根花粉管進入。」
北京大學生命科學學院教授瞿禮嘉告訴《中國科學報》，在被子植物中，由於精細胞已經沒有鞭毛作「動力系統」，因而只能像「貨物」一樣由花粉管被動運輸至雌配子體中進行受精。花粉管受到胚珠分泌的多種吸引物質的吸引，精準導向進入雌配子體中。
FERONIA缺失突變體胚珠不能阻止多個花粉管進入。段巧紅供圖
「在自然狀態下的傳粉過程，花粉通常是過量的，因此進入雌蕊中的花粉管數目總是大大超過胚珠的數目。」瞿禮嘉說，儘管如此，正常情況下，花粉管總是可以成功「繞開」已經被「佔位」的胚珠，而去找尚未「佔位」的胚珠。
「這種有意思的現象不僅使植物避免了多花粉管受精，而且也保證了生殖效率和種子產量的最大化，因此對農業生產意義重大。」瞿禮嘉說。
在過去幾十年間，科學家們對植物避免「多精受精」現象的機制進行了諸多研究，也提出了多種假設。
「FERONIA（以下簡稱FER）這個蛋白激酶在植物體內的很多器官都會大量表達，它影響了很多重要的生物學過程，包括植物生長發育、響應生物及非生物脅迫、有性生殖等。可以說它就像一個『明星受體』。」段巧紅告訴《中國科學報》，他們很早之前就開始研究FER。
2014年，他們發現，在FER缺失的突變體胚珠的助細胞與絲狀器部位，活性氧含量變少，花粉管進入胚珠助細胞後仍然不能破裂，而在胚珠內「繞圈」生長。他們判斷，FER能調節活性氧在胚珠絲狀器部位的積累，從而促使花粉管破裂，釋放出精細胞。
當第一根花粉管到達後，FER與去甲酯化果膠結合誘導產生一氧化氮（NO），使NO在絲狀器中積累。段巧紅供圖
與此同時，FER缺失的突變體中，多個花粉管進入同一個胚珠的不正常現象變得很常見。這也讓他們意識到，FER對於花粉管的調控機制有可能不止一項。
「當受體蛋白FERONIA缺失時，花粉管可以被吸引到達雌配子體並持續生長，但並不破裂釋放其攜帶的精子，同時伴隨多根花粉管進入同一雌配子體的情況。這說明FERONIA對於精子的及時釋放和阻止多餘花粉管的進入是很重要的，但其機制並不清楚。」楊維才說。
「絲狀器是事件發生的地點」
花粉落在雌蕊的柱頭上後，就開始生長出花粉管。花粉管是一個頂端生長的單細胞管狀結構，它在雌蕊中向著胚珠中的卵細胞不斷生長，精細胞隨之被不斷的向前運送。
「花粉管進入胚珠之前一直在細胞壁之間前進，不會進入細胞內部。」一直到它抵達了胚珠的雌配子體，這裡有一個叫做絲狀器的結構，就是兩個助細胞共同組成的細胞膜與細胞壁的交界處，是FERONIA蛋白大量表達的部位，也是吸引花粉管進入胚珠的LURE蛋白大量表達的部位。「絲狀器就是這些事件發生的地點。我們的研究就在這裡。」段巧紅說。
一氧化氮對誘餌蛋白進行亞硝基化修飾以阻止誘餌蛋白的分泌。段巧紅供圖
只要胚珠沒有接受花粉管，胚珠就會通過絲狀器持續分泌誘導蛋白LURE，可以堅持2-3天。段巧紅說，一旦花粉管穿過細胞壁進入胚珠，一系列連鎖反應就會被激活。
首先發生變化的是絲狀器上的低甲酯化果膠質。受體激酶FER調控低甲酯化果膠質，使其變成多個小分子。這些小分子進一步誘導一氧化氮在絲狀器的積累。
「此前研究表明，一氧化氮有亞硝基化作用。我們在這個研究中發現，一氧化氮的確對誘導蛋白LURE進行亞硝基化修飾，而且作用在兩個位點上。」 段巧紅說，對這兩個位點的修飾，一方面阻止了LURE的繼續分泌，另一方面使LURE失去誘導花粉管的活性，其他花粉管因此不能進入這個「名花有主」的胚珠。
「神奇的是，植物在這個機制中『選擇』了一氧化氮，而氣體能夠快速擴散。一氧化氮有可能到達那些已經分泌到遠端的LURE，使得整個機制能夠迅速發揮作用。」段巧紅說，當遠端的誘導蛋白LURE失活以後，「遲到」的花粉管就會及時轉向別的尚未被「佔位」的胚珠。
一氧化氮對誘餌蛋白進行亞硝基化修飾以阻止誘餌蛋白對花粉管的吸引。段巧紅供圖
在FER缺失的突變體胚珠中，絲狀器部位的低甲酯化果膠質和一氧化氮含量都顯著低於野生型胚珠，證實了上述機制。體外實驗也證明，用低甲酯化果膠質處理胚珠，能夠刺激一氧化氮產生。
「這些發現說明，當第一根花粉管到達時改變了胚珠狀態，解除對花粉管的吸引並阻止後來的花粉管進入，避免多精受精現象。該研究揭示了FERONIA調控多精現象的一種新機制。」楊維才說。
離遠緣雜交更近一步
「在植物有性生殖的過程中，雌雄雙方的信號交流具有很強的時空特異性，因此給研究調控有性生殖過程的分子機制帶來很大的困難。」瞿禮嘉說，這項工作跨越十年時間，精準地區分了花粉管導向、避免「多精受精」和受精補償等多個不同但有聯繫、功能重疊的生物學過程，將明星受體FER與細胞壁組分果膠、花粉管吸引信號轉導以及氣體分子一氧化氮等多個因素聯繫在一起，在分子水平上揭示了被子植物中一個全新的防止多花粉管受精的調控網絡，大大加深了人們對植物有性生殖過程中細胞—細胞間相互交流的理解，是植物生殖生物學研究領域的一個重大突破。
論文通訊作者、美國麻薩諸塞州立大學阿默斯特分校教授Alice Y. Cheung表示，此項研究在分子與生化水平上揭示了胚珠如何協調「花粉管破裂」與「防止多個花粉管進入胚珠」這兩個不同而又緊密相連的生物學過程，為進一步研究被子植物受精過程的調控機制提供了重要啟示。
「該發現揭示了開花植物精子釋放和避免多根花粉管進入的分子機制，豐富和完善了人類對花管粉受精現象的認識。」 楊維才說。
植物在進化過程中會形成物種間生殖隔離機制，即一種植物的花粉，即使生長出了花粉管，也很難準確進入另一種植物的胚珠。對於擬南芥的胚珠來說，與它同屬十字花科的近親薺菜的花粉管就難以準確定向進入。
而一些野生植物中可能含有優良性狀基因，如抗旱、耐鹽等。科學家一直想通過遠緣雜交打破植物種、屬間的隔離，將這些性狀引入到作物中去，獲得新的作物品種。導致雜交障礙的主要原因之一就是雌雄配子體的有效識別。
「有了這項成果，我們又離遠緣雜交的實現更近了一步。」段巧紅說。不過，未來，對於植物受精過程的研究，尚有一些科學問題待解決。這包括誘導蛋白LURE的降解機制是什麼？除了FER受體調控的機制讓LURE「不再吸引」遲到的花粉管，還有沒有其他機制「阻止」甚至「排斥」遲到的花粉管？
「我相信，整個受精過程還有很多問題尚待解決。」段巧紅說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2106-2
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