被子植物的受精過程是作物種子形成的關鍵環節。已有研究表明，單一花粉管進入胚珠後破裂，釋放精細胞，進而完成雙受精過程。但是花粉管與胚珠如何相互作用以保證這個過程的精確進行，還有很多未知。2020年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科研成果，經過長期努力，兩校科研團隊成功揭示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段巧紅教授向記者介紹，一般情況下，一個胚珠只允許一個花粉管進入，以防止遺傳紊亂。團隊研究發現，多個花粉管進入同一個胚珠這一不正常現象，在擬南芥FERONIA受體激酶的缺失突變體（fer）中很常見。進一步研究表明，FERONIA受體激酶調控了低甲酯化果膠質在絲狀器的積累，進而調控了第一個花粉管誘導的一氧化氮在絲狀器的積累。一氧化氮對誘導花粉管進入胚珠的誘餌蛋白進行亞硝基化修飾，一方面阻止其分泌，另一方面使其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。而fer突變體胚珠，低甲酯化的果膠質及一氧化氮在絲狀器部位的含量都顯著低於野生型胚珠。
FERONIA缺失突變體胚珠不能阻止多個花粉管進入
據了解，FERONIA受體激酶調控包括植物生長發育、響應生物及非生物脅迫、及有性生殖等多種生物學過程。段巧紅教授之前的研究表明，FERONIA在調控花粉管破裂以釋放精細胞這一過程中也發揮重要作用。本次研究成果進一步解析了胚珠如何協調「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。
果膠質在野生型胚珠絲狀器部位積累，介導花粉管進入胚珠後產生一氧化氮，以阻止誘餌蛋白吸引其他花粉管
論文通訊作者、美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校Alice Y. Cheung和Henming Wu教授表示，此項研究在分子與生化水平上揭示了被子植物防止多個花粉管進入胚珠的作用機制，進一步解析了植物有性生殖機理，對於生殖發育研究、作物產量提高、保護稀有物種的種質資源等具有重要意義。成果有望應用於作物雜交育種以及利用遠緣雜交育種，在豐富種質資源、提升育種品質領域發揮重要作用。
段巧紅教授與團隊黃家保副教授共同採集實驗樣本
段巧紅教授開展科研教學
段巧紅，山東農業大學園藝科學與工程學院教授、博士生導師，長期從事植物有性生殖過程研究，取得多項重要成果，相關文章發表在Nature、Nature Communications、PNAS、eLife、The Plant Journal、Molecular Plant 等學術期刊，研究成果廣泛應用於大白菜等十字花科蔬菜的育種與種質資源創新。
來源：山東農業大學 作者：王靜 編輯：趙雲飛 審核：陳姣 毛惠文