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我国科学家在植物雌雄配子体识别研究中取得重大突破

日期 2016-03-21   来源:生命科学部   作者:曹殿文 温明章  【 】   【打印】   【关闭

  经过长期的进化,被子植物逐渐成为地球上的优势植物。被子植物适应地球环境的主要原因之一是其进化出了一个特殊的精子传送结构——花粉管。花粉管是一个顶端生长的单细胞管状结构,里面包裹着两个精细胞,随着花粉管顶端生长,精细胞被不断的向前运送。被子植物的卵细胞被深埋在雌蕊。花粉管在雌蕊中生长,穿过雌蕊进入子房,经过大幅转弯和方向调控准确地从胚珠的珠孔进入胚囊,顶端随后爆裂,释放出精细胞。但是,花粉管和胚囊之间精确识别的分子机制是什么呢?140多年前,人们提出了胚囊可以释放趋化性吸引信号吸引花粉管进入的猜测。直到近年,人们才发现了这种趋化性信号是从胚囊中分泌的小肽类分子,如拟南芥的LURE,但花粉管是如何感知这种信号的仍然是个悬而未决的关键科学问题。日前,中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才研究团队首次分离到了花粉管识别LURE的受体蛋白复合体,并揭示了信号识别和激活的分子机制。这一成果于2016年2月11日在线发表在Nature(《自然》)杂志上,并于3月10日正式刊出。文章链接:http://www.nature.com/nature/journal/v531/n7593/full/nature16975.html。该成果的相关研究得到了国家自然科学基金(31330053 和31221063)等的资助。

  受体蛋白激酶是植物中一类大的蛋白家族,在植物细胞膜上广泛分布,该类蛋白通过一个跨膜域连接胞外结构域和胞内的激酶结构域。花粉管细胞膜上也分布着大量的这类受体蛋白激酶,因此这些蛋白成为重点关注的对象。杨维才团队首先将模式植物拟南芥中的25个在花粉管中高表达的候选基因做了激酶区域失活突变的显性抑制构建,再将突变的花粉管授到野生型的柱头上,用染色的方法观察在珠孔附近花粉管的行为,选择行为‘异常’的作为可能调控花粉管导向的候选基因。他们还通过获得的这25个基因的基因缺失突变体,观察这些突变体的花粉管寻找胚囊的能力,选择花粉管识别胚囊效率下降的突变体。通过这两种筛选方法,他们发现了三个编码花粉管膜表面的受体蛋白激酶的基因(MIK1MIK2MDIS1),这三个基因的相应突变体表现为花粉管识别胚囊的效率降低(见图1)。

图1. 扫描电镜结果显示突变体花粉管寻找胚囊的效率下降

  进一步的研究发现,这三个受体蛋白的胞外域都可以在体内和体外条件下特异地结合LURE,而缺失这三个基因的突变体花粉管对LURE响应能力明显下降,表明这三个受体激酶都是LURE的受体。那么这三个受体之间是什么关系呢?实验证明,MIK1和MIK2是同源基因,功能相似,都可以和MDIS1相互作用。MIK1和MDIS1的胞外结构域的结合强度被LURE大大促进。同时,研究人员还发现,LURE的结合可以诱发MIK1的胞内域的自身磷酸化,同时MIK1在LURE的诱导下可以磷酸化MDIS1,表明MIK1和MDIS1是一个受体—共受体复合体(图2)。遗传学分析结果进一步证明了这一结论。

图2. MIK1和MDIS1在细胞表面形成复合体,

对细胞施加LURE1后,MIK1可以磷酸化MDIS1并发生自磷酸化。

  植物在进化过程中会形成物种间生殖隔离机制,即一种植物的花粉,即使生长出了花粉管,也很难准确进入另一种植物的胚珠。对于拟南芥的胚珠来说,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。然而,研究人员通过转基因手段把MDIS1基因导入荠菜中,和拟南芥进行杂交实验,结果发现,“改造”过的荠菜花粉管能收到拟南芥胚珠分泌的定向信号,进入珠孔的准确率大大提高。这一发现为克服物种间生殖隔离提供了新的思路,建立了利用受体蛋白编码基因来克服花粉管识别胚囊阶段种间生殖隔离的方法,该方法已经申报国家专利。

  Nature期刊同期刊出了马萨诸塞大学著名学者Alice Y.Cheung和Hen-Ming Wu的相关点评,指出该研究和同期刊出的日本学者的类似研究成果使人们向着充分理解花粉管—胚囊识别这一重要的植物生殖问题又迈进了一步。该研究鉴定了一直以来备受关注的胚囊吸引信号的受体,并揭示了信号识别和激活的分子机制,还建立了打破种间生殖隔离的理论和方法,为未来该领域的研究提出了新的问题和方向,将大大推动植物生殖生物学的研究进程。

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