重磅！中外科研團隊揭示被子植物受精過程關鍵機制

2023-04-02 02:19:07 2

，陳麗

被子植物的受精過程是種子形成的關鍵環節防止多精子細胞與卵細胞結合，即多精受精，對於維持後代基因組的穩定性非常重要。

3年19月，《自然》發表了山東農業大學和麻省大學阿姆赫斯特分校聯合完成的最新成果經過多年的努力，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

論文的第一作者、山東農業大學園藝科學與工程學院教授段在接受《中國科學報》採訪時表示，擬南芥FERONIA受體激酶發揮著重要作用。

在花粉管與胚珠的相互作用中具有「雙重調節機制」:負責調節花粉管進入胚珠並釋放精細胞的機制；它還負責防止其他花粉管進入已經是「名花有主」的胚珠

「星形受體」引起了人們的極大關注

在長期的進化過程中，開花植物進化出了花粉管粉末受精現象，即不動精子通過花粉管轉移到胚珠卵細胞中國科學院遺傳與發育生物學研究所的研究員楊·蔡威告訴《中國科學日報》:「這種進化結果使得受精不再依賴於水環境的存在，因此開花植物適應陸地環境是至關重要的同時，花粉管受精具有種特異性(生殖隔離)和花粉管與雌配子體的一對一關係。換句話說，雌性配子體只允許一個花粉管進入"

圖1。北京大學生命科學學院的屈·李佳教授告訴《中國科學報》說，在被子植物中，精子細胞沒有鞭毛作為「動力系統」，所以它們只能像受精的「貨物」一樣被動地從花粉管運輸到雌配子體。

花粉管被胚珠分泌的各種吸引物質吸引，並被精確地導入雌配子體

」在自然狀態下的授粉過程中，花粉通常過多，因此進入雌蕊的花粉管數量總是大大超過胚珠數量。然而，屈說，在正常情況下，花粉管總是能夠成功地「繞過」已被「佔據」的胚珠，找到未被「佔據」的胚珠。"

"這一有趣的現象不僅阻止了植物對多個花粉管的受精，而且保證了最大的繁殖效率和種子產量，因此對農業生產具有重要意義。」曲麗佳說道

在過去的幾十年裡，科學家們對植物避免「多精現象」的機制進行了許多研究，並提出了許多假說。

"FERonia(以下稱為fer)是一種在植物的許多器官中表達的蛋白激酶。它影響許多重要的生物過程，包括植物的生長和發育、對生物和非生物脅迫的反應、有性生殖等可以說，它就像一個「恆星接收器」」段告訴《中國科學報》說，他們已經研究很久了

2014，他們發現在FER缺乏的突變胚珠的輔助細胞和絲狀器官中，活性氧的含量降低，花粉管進入胚珠輔助細胞後仍不能斷裂，而是在胚珠中「盤旋」生長。

他們認為FER可以調節胚珠絲狀器官中活性氧的積累，從而促進花粉管破裂和精子的釋放

圖2。當第一個花粉管到達時，FER與去甲基化果膠結合以誘導一氧化氮(NO)的產生，這導致NO在絲狀器官中積累

。同時，在FER缺乏突變體中，多個花粉管進入同一個胚珠是非常常見的。

，這也使他們認識到FER可能有一個以上的花粉管調控機制。

」當受體蛋白FERONIA缺失時，花粉管可以被吸引到雌配子體並繼續生長，但是它們不會破裂以釋放它們攜帶的精子，同時多個花粉管進入同一個雌配子體這表明費洛尼亞對精子的及時釋放和防止多餘花粉管的進入非常重要，但其機制尚不清楚。」楊對說道

「絲狀器官是事件發生的地方」

花粉落在雌蕊柱頭上後開始長出花粉管。

花粉管是頂端生長的單細胞管狀結構。它在雌蕊中不斷向胚珠中的卵細胞生長，精子細胞不斷向前運輸。

"花粉管總是在進入胚珠之前在細胞壁之間前進，並且不進入細胞內部「在到達胚珠的雌配子體之前，有一種稱為絲狀器官的結構，即由兩個輔助細胞形成的細胞膜和細胞壁的連接處，這是FERONIA蛋白大量表達的部位和LURE蛋白大量表達的部位，吸引花粉管進入胚珠。「燈絲是這些事件發生的地方我們的研究在這裡」段對說道

只要胚珠不接受花粉管，胚珠就會通過絲狀器官持續分泌誘導蛋白LURE，並能持續2-3天

的段說，花粉管一旦穿過細胞壁進入胚珠，就會激活一系列的連鎖反應

的第一個變化是絲狀器官上的低甲酯果膠。受體激酶FER調節低甲酯化樹膠成為多種小分子這些小分子進一步誘導絲狀器官中一氧化氮的積累

"以前的研究表明，一氧化氮具有亞硝化作用我們在這項研究中發現，一氧化氮確實使誘導的蛋白質LURE亞硝醯化，並作用於兩個位點。段說，這兩個位點的修飾，一方面阻止了繼續分泌，另一方面使失去了誘導花粉管的活性，使其他花粉管無法進入這種「名花有主」的胚珠

圖3。用一氧化氮對餌料蛋白進行亞硝化修飾以阻止餌料蛋白

」的分泌奇蹟般地，植物在這種機制中『選擇』一氧化氮，並且氣體可以迅速擴散一氧化氮很可能到達那些已經分泌到遠端的誘導劑，使整個機制迅速發揮作用。段說，當遠側誘導蛋白LURE失活時,「晚期」花粉管會轉向其他未被「佔據」的胚珠

在FER缺陷型突變胚珠中，絲狀器官中低甲基化果膠和一氧化氮的含量明顯低於野生胚珠，這證實了上述機制。

的體外實驗也證明用低甲基酯化果膠處理胚珠可以刺激一氧化氮的產生。

圖4。用一氧化氮亞硝化修飾誘餌蛋白以防止誘餌蛋白吸引到花粉管

」這些發現表明，當第一個花粉管到達時，胚珠狀態改變，對花粉管的吸引被釋放，隨後的花粉管進入被阻止，從而避免了多精現象。這項研究揭示了一種新的調節紅細胞增多症的機制。」楊對說道

是植物有性生殖過程中更接近遠緣雜交

」的一步，雄性和雌性之間的信號通訊具有很強的時空特異性，從而給有性生殖過程調控的分子機制研究帶來很大困難曲說，這項工作歷時10年，揭示了一個全新的被子植物調控網絡，以防止多個花粉管在分子水平上受精。它極大地加深了人們對植物有性生殖過程中細胞-細胞相互作用的理解，是植物生殖生物學研究領域的重大突破。《

》通訊作者、美國麻省州立大學阿姆赫斯特分校教授艾麗絲·張(Alice Y. Cheung)表示，該研究揭示了胚珠如何在分子和生化水平上協調「花粉管破裂」和「阻止多個花粉管進入胚珠」這兩個不同但又密切相關的生物學過程，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。

」這一發現揭示了開花植物釋放精子和避免多個花粉管進入的分子機制，豐富和完善了人類對花管粉末受精現象的認識。」楊對說道

植物在進化過程中會形成種間生殖隔離的機制，即一種植物的花粉，即使它長出花粉管，也很難準確進入另一種植物的胚珠。

對於擬南芥的胚珠，十字花科植物的近親薺菜的花粉管很難準確進入

，而一些野生植物可能含有抗旱、耐鹽等優良性狀的基因。科學家們一直希望通過遠緣雜交打破植物物種和屬之間的隔離，並將這些特徵引入作物，以獲得新的作物品種。

導致雜交障礙的主要原因之一是雌雄配子體的有效鑑定

「有了這個成就，我們離實現遠緣雜交又近了一步。」」段對說道

，但是，在今後的植物施肥過程研究中，仍有一些科學問題需要解決

包括誘導蛋白LURE的降解機制？除了FER受體調節的「不再吸引」晚期花粉管的機制之外，還有沒有其他機制「阻止」甚至「排斥」晚期花粉管？

「我相信在整個受精過程中還有許多問題需要解決。」」段對說道

論文信息:

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2106-2

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