植物雌蕊頂端模式建成和功能特化的調控新機理

2020-10-03 BioArt植物

Current Biology | 武漢大學孫蒙祥團隊揭示植物雌蕊頂端模式建成和功能特化的調控機理


責編 | 奕梵


被子植物的雌蕊起源於心皮融合，其通過細胞類型和組織分布的適應性調整，進化成為適應植物有性生殖的獨特結構。雌蕊頂端分化形成花柱和柱頭，二者與雄配子體發生相互作用，對於植物育性至關重要。然而，調控雌蕊頂端模式建成和功能特化的分子機理仍不清楚。


2020年10月1日，武漢大學孫蒙祥教授課題組在Current Biology發表了題為Three STIGMA AND STYLE STYLISTs pattern the fine architectures of apical gynoecium and are critical for male gametophyte-pistil interaction的研究論文，揭示了植物雌蕊頂端模式建成和功能特化的調控新機理。



該研究首次報告了一個被子植物特異的新基因家族STIGMA AND STYLE STYLIST（SSS）。通過基因組複製，SSS從無油樟等基部被子植物內的單一拷貝演化成一個多成員基因家族。擬南芥中該家族由SSS1、SSS2和SSS3組成，三者分別在花柱傳輸組織、柱頭和花柱基本組織中優勢表達，進而協同控制雌蕊頂端模式建成。SSS1、SSS2和SSS3中任一者的過表達均可導致雌蕊頂端異常，突出地表現為花柱縮短。與此相反，SSS家族基因的功能缺失則導致花柱增長。


細胞學觀察表明，SSS以劑量依賴的方式協同作用，通過調節細胞數量與伸長來調控雌蕊頂端的模式建成。花柱是花粉管生長的通道，其所形成的微環境與花粉管發生相互作用，並為花粉管提供必要的滋養。SSS功能缺陷幹擾了花粉管在雌蕊頂端的正常生長，表現為花粉管伸長變緩，甚至無法進入花柱。這表明 SSS基因共調控的雌蕊頂端精細的形態結構對於保證雄配子體和雌性組織間的相互作用是十分必要的。因此，該工作揭示了植物雌性生殖器官的細胞數按量控制和其精細的排布形式對於形成與雄配子體相互作用的適宜界面或微環境，以便發揮其特定的功能至關重要。


進一步實驗表明，SSS基因的表達受到轉錄因子NGATHA3（NGA3）的調控，後者參與雌蕊形態建成。遺傳學實驗顯示SSS基因的過表達能夠挽救amiR-NGA 和nga1 nga3的缺陷表型，進一步有力地證明SSS基因位於NGA調控雌蕊頂端發育信號通路的下遊。酵母單雜交實驗表明NGA3能夠直接結合SSS基因的啟動子。


前人的研究顯示NGATHA可與TOPLESS互作，行使轉錄抑制功能。而該研究中NGA3的下調表達株系（amiR-NGA）和上調表達株系（ANT>>NGA3）內SSS基因的表達均發生相應地下調和上調。這些結果支持NGA3亦可作為激活因子調控SSS基因，提示NGA3在植物發育的不同途徑中具有多樣化的功能。簡言之，NGA-SSS分子調控途徑可能是被子植物調控雌蕊頂端分化和花柱精細結構建成的保守機制。


武漢大學生命科學學院李文煒博士和黃小榮博士為本文共同第一作者，孫蒙祥教授和彭雄波副教授為共同通訊作者。本研究得到國家自然科學基金和中國博士後科學基金的支持。


值得一提的是，該工作是近年來孫蒙祥教授團隊繼在Nat Commun, Dev Cell, Autophagy等期刊上發表重要成果之後，發表的又一項重要成果。


2020年3月，Nature Communications在線發表了武漢大學生命科學學院孫蒙祥教授團隊題為「Cell lineage-specific transcriptome analysis for interpreting cell fate specification of proembryos」的重要成果，揭示了早期胚胎發生過程中細胞命運決定的分子機制（點擊查看：Nature Commun.｜武漢大學孫蒙祥教授團隊揭示早期胚胎發生過程中細胞命運決定的分子機制）。



2019年5月，孫蒙祥團隊在Developmental Cell 上發表了題為wo-Step Maternal-to-Zygotic Transition with Two-Phase Parental Genome Contributions 的研究論文，解析了植物卵細胞、受精卵及早期胚胎的表達譜特徵。結果表明，植物受精卵發育具有兩個典型階段，早期發育調控信息主要來自於卵細胞，而後期合子極性的建立及啟動細胞分裂則需要來自於合子中新合成轉錄（點擊查看：Dev. Cell｜武漢大學孫蒙祥研究組揭秘植物早期胚胎發生母本控制轉換到合子控制的過程）。

此外，該團隊還在Autophagy上發表了題為Autophagy-mediated compartmental cytoplasmic deletion is essential for pollen germination and male fertility研究的論文。該研究首次揭示自噬在雄配子體發育過程中發揮作用的報導，揭示了花粉萌發過程中一個新的重要環節。


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