华师大发现小肽-受体激酶调控花粉-柱头识别的机理

发布时间:2021-04-12

近日,《科学》杂志发表了华东师范大学生命科学学院李超课题组最新成果。该研究以十字花科中的模式植物拟南芥为研究对象,揭示出花粉-柱头相互识别的分子机理,从而在植物生殖发育领域,首次破解了开花植物识别本物种花粉,而拒绝其他物种花粉的根本原因。

“花粉通过其覆盖物中的PCP-B小肽竞争柱头中的RALF33小肽,抑制柱头中RALF33mdash;FER/ANJ受体激酶信号通路维持的活性氧水平,从而影响花粉水合。”李超课题组经过4年的实验研究得出结论。研究中发现的小肽、受体激酶以及信号通路成员在开花植物中广泛存在,由此推测,开花植物在进化上采用相似的策略以保证亲和花粉和柱头之间的识别。

种瓜得瓜,种豆得豆。这句简单的话暗藏着植物基本的遗传问题,即雌性柱头只能接受同种的花粉,允许其萌发和受精。这样的遗传机制保证物种间的特异性。在农业研究中,需要通过杂交将不同种属植物的优良性状整合到一起,得到高产优质的品种。

为此,我们必须深入了解开花植物怎样识别本物种的花粉而阻止其他物种的花粉的分子机理。花粉与柱头的识别是雌性器官和雄性器官的第一次信息交流,那么在进化中植物形成了怎样的花粉-柱头识别机制?亲和性花粉持有什么样的钥匙去打开柱头这把锁呢?

刘晨等发现,拟南芥雌蕊柱头的乳突细胞在授粉前存在活性氧的积累,而授粉引起活性氧水平下降(图1A),当对活性氧抑制剂和清除剂饲养的柱头授粉后发现,柱头活性氧水平降低促进花粉水合(图1B)。来自花粉覆盖物PCP-B小肽处理野生型柱头能够引起乳突细胞活性氧水平降低(图1C),并且经PCP-Bgamma;处理的柱头引起花粉水合速率加快(图1D)。柱头乳突细胞中FER和ANJ受体激酶突变后造成活性氧水平偏低(图1E)和花粉水合加快(图1F)。进一步研究发现, FER/ANJ和PCP-Bs相互作用(图1G),共同调控柱头活性氧水平和影响花粉水合。

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▲图1. PCP-Bs通过FER/ANJ受体激酶影响柱头活性氧和花粉水合

进一步还发现,柱头乳突细胞自分泌的RALF33小肽通过FER/ANJ-LLG1-ROP2-RBOHD信号通路引起活性氧产生。而PCP-Bgamma;小肽可以抑制RALF33小肽引起的活性氧产生(图2A),并且促进花粉在柱头的水合(图2B)。通过各种生化实验体系,发现PCP-Bgamma;小肽能够将FER-RALF33复合物中的RALF33小肽竞争下来,而与FER互作结合(图2C)。

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▲图2. PCP-Bs竞争RALF33结合FER/ANJ受体激酶

综上所述,该研究表明,在授粉前,柱头乳突细胞通过RALF33-FER/ANJ-LLG1-ROP2-RBOHD信号通路产生活性氧。授粉后,来自花粉的PCP-Bs小肽与柱头自分泌的RALF33小肽竞争性结合FER/ANJ,阻断乳突细胞中的活性氧产生通路,导致乳突细胞活性氧水平降低,促进花粉的水合(图3)。

研究团队建立了系统性研究柱头-花粉的实验体系,包括精准的花粉水合观察体系,柱头乳突细胞活性氧观察体系,以及多种生化实验体系研究小肽竞争受体激酶。和国际上其他寻找柱头受体的课题组一样,最初他们按照常规思路推测,认为柱头上感受花粉的受体基因突变后会造成花粉水合速率变慢的表型,而他们发现fer/anj突变体呈现出花粉水合速率加快的表型。经过整合FER/ANJ受体激激酶信号通路产生活性氧以及授粉引起柱头乳突细胞活性氧下降这两条重要线索,他们打破常规,采用逆向思维,找到了最关键的解决思路,理清了花粉通过抑制柱头受体激酶信号通路而发生识别的机制。

项目的完成需要导师的顶层实验设计,也需要实验者的创新思维。李超博士全身心地投入于钻研科学问题,亲自指导每一个实验的技术细节和数据处理。同时,她给学生时间去拓展实验思路,鼓励学生探索试错,而在第一时间帮助学生分析问题。该项工作共11个大图,68个小图,每一个小图都是一个独立的需要多次重复的实验。在研究过程中,这支平均年龄只有29岁的充满活力的团队日以继夜,克服疫情期间实验材料短缺、植物可操作周期短和实验技术难度大等重重困难,仅用了4年的时间就完成了这个课题研究。期间得到清华大学柴继杰教授课题组和国家蛋白质中心张江实验室在蛋白实验方面的有力支持。

对于植物发育领域的学者来说,该发现是受体激酶感知和切换不同类型的小肽配体来精准调控植物发育的例证。其中发现的小肽、受体激酶以及活性氧通路成员在开花植物中广泛存在,由此,该机制可能是一个开花植物中保守的花粉-柱头识别机制。该机制的发现对于杂交育种中克服远源杂交障碍、得到优良性状的品种具有重要意义。

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▲图3. 花粉小肽抑制柱头受体激酶信号通路调控水合的模式图

华东师范大学生命科学学院李超研究员为通讯作者,刘晨博士为第一作者,实验室其他同学沈恋苹等参与研究。清华大学、美国马萨诸塞大学和国家蛋白质中心张江实验室参与该项研究。该工作得到国家自然科学基金的资助。(作者 许琦敏)

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