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楊維才研究組在花粉管導向研究中取得重要進展

  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“准時准點”受精,該過程被稱爲花粉管導向。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+之間的關系還缺少基本的認知。

 

  2020213日,中國科學院遗传與发育生物学研究所杨维才研究组在Nature Plants 發表了題爲Integration of ovular signals and exocytosis of Ca2+channel by MLOs in pollen tube guidance的論文,報道了花粉管中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,爲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啓示。 

 

  在擬南芥中有15MLO同源基因,杨维才团队发现了三個在花粉高表达的基因MLOsMLO5MLO9MLO15,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,表現爲嚴重卷曲而不能進入胚囊,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。而這種卷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花粉管卷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,MLO5CNGC18互作,並且伴隨花粉管轉彎,可以檢測到MLOCNGC18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與调控囊泡膜融合的SNARE蛋白VAMP721VAMP722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卷曲表型,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VAMP721VAMP722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+浓度,來調控花粉管向胞外信号的定向响应的分子机制。 

    

  圖:MLOs調控花粉管對胚囊信號的響應 

    

  該論文于2020213日發表在Nature Plants雜志(DOI:10.1038/s41477-020-0599-1)。遗传发育所在读博士生孟姜果和已毕业的梁良博士为共同第一作者,杨维才研究员和李红菊研究员为共同通讯作者。遗传发育所汪迎春研究员团队也参與了这项研究。该课题得到了国家自然科学基金和科技部资助。