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中外研究团队揭示被子植物受精过程关键机制

2020-03-20 中国科学报 李晨 王静
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刚刚授粉的拟南芥花,摘掉了部分萼片和花瓣。段巧红供图

  被子植物的受精过程是种子形成的关键环节。防止多个精细胞与卵细胞结合,即多精受精,避免后来的花粉管“抢婚”,对于维持后代基因组的稳定非常重要。

  3月19日,《自然》在线发表了山东农业大学与美国马萨诸塞大学阿默斯特分校共同完成的最新成果。经过多年努力,研究人员发现了被子植物阻止多个花粉管进入胚珠的分子机制。对于花粉管与雌蕊相互作用成功受精的研究,将帮助作物跨过生殖隔离,离远缘杂交更近一步。

  论文第一作者、山东农业大学园艺科学与工程学院教授段巧红告诉《中国科学报》,扮演这一重要角色的就是拟南芥FERONIA受体激酶。它在花粉管与胚珠相互作用中具有“双重调控机制”:既负责调控花粉管进入胚珠后破裂从而释放精细胞,也负责阻止别的花粉管进入已经“名花有主”的胚珠。

  “明星受体”备受关注

  在长期进化过程中,开花植物进化出了花粉管受精现象,就是通过花粉管把不能运动的精子传递到胚珠中的卵细胞。

  中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员杨维才告诉《中国科学报》:“花粉管受精具有种属特异性(生殖隔离)和花粉管与雌配子体的一对一关系。也就是说一个雌配子体只允许一根花粉管进入?!?/p>

  北京大学生命科学学院教授瞿礼嘉告诉《中国科学报》,在被子植物中,花粉管受到胚珠分泌的多种吸引物质的吸引,精准导向进入雌配子体中。

  “在自然状态下的传粉过程,花粉通常是过量的,因此进入雌蕊中的花粉管数目总是大大超过胚珠的数目?!宾睦窦嗡?,尽管如此,正常情况下花粉管总是可以成功“绕开”已经被“占位”的胚珠,而去找尚未“占位”的胚珠。

  “这种现象不仅使植物避免了多花粉管受精,而且也保证了生殖效率和种子产量的最大化,因此对农业生产意义重大?!宾睦窦嗡?。

  过去几十年间,科学家对植物避免多精受精现象的机制进行了诸多研究。

  “FERONIA(以下简称FER)这个蛋白受体激酶在植物体内的很多器官都会大量表达,它影响了很多重要的生物学过程,包括植物生长发育、响应生物及非生物胁迫、有性生殖等??梢运邓拖褚桓觥餍鞘芴濉??!倍吻珊毂硎?,2014年,他们发现在FER缺失的突变体胚珠的助细胞与丝状器部位,活性氧含量变少,花粉管进入胚珠助细胞后仍然不能破裂,而在胚珠内“绕圈”生长。他们判断,FER能调节活性氧在胚珠丝状器部位的积累,从而促使花粉管破裂,释放出精细胞。

  与此同时,FER缺失的突变体中,多个花粉管进入同一个胚珠的不正常现象变得很常见。这也让他们意识到,FER对于花粉管的调控机制可能不止一项。

  “这说明FER对于精子的及时释放和阻止多余花粉管的进入是很重要的,但其机制并不清楚?!毖钗潘?。

  “丝状器是事件发生的地点”

  花粉落在雌蕊柱头上后,就开始长出花粉管,它在雌蕊中向着胚珠中的卵细胞不断生长,精细胞随之被不断向前运送。

  “花粉管进入胚珠之前一直在细胞壁之间前进,不会进入细胞内部?!币恢钡剿执锪伺咧榈拇婆渥犹?,这里有一个叫做丝状器的结构,是FER蛋白大量表达的部位,也是吸引花粉管进入胚珠的诱导蛋白LURE大量表达的部位?!八孔雌骶褪钦庑┦录⑸牡氐?。我们的研究就在这里?!倍吻珊焖?。

  只要没有接受花粉管,胚珠就会通过丝状器持续分泌LURE,可以坚持2~3天。段巧红说,一旦花粉管穿过细胞壁进入胚珠,一系列连锁反应就会被激活。

  首先发生变化的是丝状器上的低甲酯化果胶质。FER调控低甲酯化果胶质,使其变成多个小分子。这些小分子进一步诱导一氧化氮在丝状器的积累。

  “此前研究表明,一氧化氮有亚硝基化作用。我们也发现一氧化氮的确对LURE进行亚硝基化修饰?!倍吻珊焖?,这即阻止了LURE的继续分泌,又让LURE失去诱导花粉管的活性。

  “神奇的是,植物在这个机制中‘选择’了一氧化氮,而气体能够快速扩散。一氧化氮有可能到达那些已经分泌到远端的LURE,使得整个机制能够迅速发挥作用?!倍吻珊焖?,当远端的诱导蛋白LURE失活以后,“迟到”的花粉管就会及时转向别的尚未被“占位”的胚珠。

  在FER缺失的突变体胚珠中,丝状器部位的低甲酯化果胶质和一氧化氮含量都显著低于野生型胚珠,证实了上述机制。体外实验也证明,用低甲酯化果胶质处理胚珠,能够刺激一氧化氮产生。

  “这些发现说明,当第一根花粉管到达时改变了胚珠状态,解除对花粉管的吸引并阻止后来的花粉管进入,避免多精受精现象。该研究揭示了FER调控多精现象的一种新机制?!毖钗潘?。

  离远缘杂交更近一步

  “在植物有性生殖过程中,雌雄双方的信号交流具有很强的时空特异性,因此给研究调控该过程的分子机制带来很大的困难?!宾睦窦嗡?,这项工作跨越10年,精准地区分了花粉管导向、避免“多精受精”和受精补偿等多个不同但有联系、功能重叠的生物学过程,将明星受体FER与细胞壁组分果胶、花粉管吸引信号转导、气体分子一氧化氮等多个因素联系在一起,在分子水平上揭示了被子植物中一个全新的防止多花粉管受精的调控网络。

  “这大大加深了人们对植物有性生殖过程中细胞—细胞间相互交流的理解,是植物生殖生物学研究领域的一个重大突破?!宾睦窦嗡?。

  论文通讯作者、美国马萨诸塞大学阿默斯特分校教授Alice Y. Cheung表示,此项研究在分子与生化水平上揭示了胚珠如何协调“花粉管破裂”与“防止多个花粉管进入胚珠”这两个不同而又紧密相连的生物学过程,为进一步研究被子植物受精过程的调控机制提供了重要启示。

  “该发现揭示了开花植物精子释放和避免多根花粉管进入的分子机制,丰富和完善了人类对花管粉受精现象的认识?!毖钗潘?。

  植物在进化过程中会形成物种间生殖隔离机制。拿拟南芥的胚珠来说,与它同属十字花科的近亲荠菜的花粉管就难以准确定向进入。而科学家一直想通过远缘杂交打破植物种、属间的隔离,将野生植物中抗旱、耐盐、耐高温等优良性状引入到作物中,获得新的作物品种。

  导致杂交障碍的主要原因之一就是雌雄配子体的有效识别?!坝辛苏庀畛晒?,我们有可能帮助不同物种之间的雌雄配子体结合,这离远缘杂交的实现更近了一步?!倍吻珊焖?。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2106-2

打印 责任编辑:侯茜
  • 哺乳动物亚种在物种进化中至关重要

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