• [交大智慧] 生命科學技術學院梁婉琪研究團隊發現水稻花粉外壁模式形成的新機制
    發布時間 :2020-10-23  閱讀次數 :1005

    近日,植物生物學權威期刊《The Plant Cell發表了上海交通大學生命科學技術學院梁婉琪研究團隊研究成果“Grass-Specific EPAD1 Is Essential for Pollen Exine Patterning in Rice。該論文報道了一個禾本科特異的G類脂轉運蛋白(Type G nsLTP)EPAD1在禾本科模式作物水稻花粉外壁模式建成過程中的重要作用。上海交通大學博士生李煥軍和博士后Yu-Jin Kim博士為共同第一作者,梁婉琪研究員為通訊作者。

    開花植物的花粉(雄配子體)外覆蓋著一層堅硬的外壁,在保護雄配子體,以及授粉受精過程的雌雄識別中具有非常重要的作用。自然界中,開花植物的花粉外壁表面呈現多種多樣和物種特異性的形態?;ǚ弁獗谑且粋€經過精確組裝的多層結構,主要由孢粉素組成,孢粉素的組裝方式決定了花粉外壁表面形態的多樣性。然而,具有物種特異性花粉外壁模式的形成機制,特別是小孢子自身在花粉外壁模式建成中的作用還很不清楚。

    植物花粉外壁形成起始于植物減數分裂后的四分體形成時期,這時剛剛產生的小孢子細胞膜和胼胝質壁之間形成糖萼樣初生外壁層(Primexine)。初生外壁已被證明在花粉外壁模式建成過程中起到模板(template/scaffold)作用,但是初生外壁層是如何引導孢粉素有序堆積和組裝尚不清楚。已報道的影響初生外壁層形成的因子(圖1)在單雙子葉植物中均較為保守,這些基因可能并不直接參與物種特異性的花粉外壁模式的形成。

    EPAD1 編碼一個禾本科特異的 Type G nsLTP。EPAD1 的突變不影響孢粉素以及初生外壁組分的合成和轉運,但破壞了四分體時期初生外壁層的連續性和均質性,以及初生柱狀層的規則排布,進而改變了孢粉素在花粉表面的組裝方式和最終的花粉外壁模式,導致花粉敗育。EPAD1特異地在花粉母細胞至早期小孢子中表達,并且四分體時期EPAD1從細胞質中被重新定位到細胞膜上,參與初生外壁層的形成。對 EPAD1 蛋白的分子功能進行研究發現,第204,205,206位絲氨酸是冗余的糖基化磷脂酰肌醇錨定區(GPI-anchor) 錨定位點,GPI-anchor 通過連接在其中任一個絲氨酸位點上,將EPAD1蛋白錨定在四分體和早期小孢子細胞膜表面發揮功能。體外蛋白功能分析發現EPAD1能夠結合多種磷脂分子,因此認為EPAD1和定位在膜微區的磷脂分子通過招募相關蛋白,維持初生外壁層的連續性和均質性(圖1)。其他禾本科植物中EPAD1同源基因的蛋白序列和表達模式均較為保守,而且小麥中直系同源基因TaMS1突變后同樣也表現出花粉外壁異常,說明EPAD1的同源基因可能在調控禾本科特異的花粉外壁模式形成過程中具有保守功能。

    圖1. EPAD1控制花粉外壁模式建成的示意圖

    (圖片由Patrice A Salomé, the Plant Cell提供)

    A.植物花粉外壁形成過程和已知參與初生外壁形成基因的表達特征,其中EPAD1特異地在小孢子母細胞和早期小孢子中表達,其他已報道基因在花藥壁細胞層絨氈層中特異表達或是在絨氈層和小孢子中同時表達。B. 不同初生外壁形成相關基因的作用:水稻野生型(WT)花粉中孢粉素組裝形成連續雙層花粉外壁結構,水稻EPAD1突變使初生外壁變得不連續,初生柱狀層分布不均最終形成分離的環狀外壁結構;其他已知初生外壁相關基因突變導致初生外壁不能形成或變薄,孢粉素不能沉積到小孢子表面,在小孢子外形成無序聚集團塊。

    該研究揭示了禾本科特異的EPAD1在水稻花粉外壁模式形成中的功能,為進一步研究小孢子自身在花粉外壁模式建立過程中的作用,以及物種特異性花粉外壁模式的形成機制提供了新的認識。該工作是梁婉琪研究團隊今年在Nature Plants和aBiotech期刊上發表花粉表面模式形成機制相關研究論文后,發表的又一項重要研究成果。

    該課題得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海交通大學JiRLMDS聯合研究基金、ARC未來獎學金和探索項目等資助。

     

    原文鏈接:http://www.plantcell.org/content/early/2020/10/22/tpc.20.00551

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