遺傳發育所在花粉管導向研究中取得進展

2020-12-05 中國科學院

　　開花植物通過管粉受精的形式形成種子，使物種得以繁衍，使人類得以獲得食糧。在受精過程中，花粉管攜帶一對精細胞穿過長距離的雌蕊組織定向進入胚囊。該過程受到嚴格的調控，確保「準時準點」受精，該過程被稱為花粉管導向。現在已經發現了諸多胚囊分泌的小肽類吸引信號通過花粉管上受體的識別來引導花粉管進入珠孔。同時，大量的研究顯示Ca2+在植物生殖過程，如花粉管生長、導向、精卵融合中也起著至關重要的作用。但人們對胚囊信號與Ca2+之間的關係還缺少基本的認知。

　　2月13日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所楊維才研究組在Nature Plants 發表了題為Integration of ovular signals and exocytosis of Ca2+channel by MLOs in pollen tube guidance 的論文，報導了花粉管中MLO (MILDEW RESISTANCE LOCUS O) 蛋白介導的新的信號通路，負責胚囊信號和Ca2+之間的信號級聯。MLO在上世紀末被發現在大麥白粉病抗性中起關鍵作用，該類蛋白是七次跨膜的質膜蛋白。該研究首次揭示了MLO蛋白的分子機制，為人們深入認識花粉管導向的分子機理，解析植物七次跨膜蛋白作用的分子機制有重要啟示。

　　在擬南芥中有15個MLO同源基因，楊維才團隊發現了三個在花粉高表達的基因MLOs：MLO5，MLO9，MLO15，其雙突變體mlo5/9和三突變體mlo5/9/15的花粉管在穿出花柱道後，表現為嚴重捲曲而不能進入胚囊，最終導致敗育的現象，這與已知的花粉管導向缺陷突變體都不同。而這種捲曲現象在缺少胚囊的spl突變體、外株被不完整的ino突變體，或Arabidopsis lyrata雌蕊中消失。結合半體外吸引實驗發現，誘導mlo5/9花粉管捲曲的是一種可擴散的來自胚珠的未知信號。

　　研究人員發現，在mlo5/9花粉管的胞質內Ca2+濃度降低，並且Ca2+通道蛋白CNGC18的膜定位明顯消失。研究人員進一步研究發現，MLO5與CNGC18互作，並且伴隨花粉管轉彎，可以檢測到MLO和CNGC18以及Ca2+向轉彎方向的重新定位。研究人員進一步通過質譜等生化手段發現，MLO5/9與調控囊泡膜融合的SNARE蛋白VAMP721和VAMP722在同一複合體並直接相互作用，並且VAMP721的質膜定位依賴MLOs。在vamp721+/- vamp722雜合突變體中，花粉管也有一定比例的捲曲表型，並且有一半花粉管呈現CNGC18質膜定位消失的表型。由此，研究人員提出了MLO5/9/15通過VAMP721和VAMP722來調控CNGC18在質膜上局部的重新定位，進而影響花粉管轉彎時局部胞質Ca2+濃度，來調控花粉管向胞外信號的定向響應的分子機制。

　　該論文於2月13日發表在Nature Plants雜誌（DOI:10.1038/s41477-020-0599-1）。遺傳發育所在讀博士生孟姜果和已畢業的梁良為共同第一作者，研究員楊維才和李紅菊為共同通訊作者。遺傳發育所研究員汪迎春團隊也參與了這項研究。該課題得到國家自然科學基金和科技部資助。

圖：MLOs調控花粉管對胚囊信號的響應

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