[交大智慧]上海交大梁婉琪研究組發(fā)現(xiàn)水稻花粉萌發(fā)孔發(fā)育新機(jī)制
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院梁婉琪研究組在植物花粉發(fā)育研究中取得新突破，證明水稻中的凝集素受體激酶OsDAF1和未知功能蛋白OsINP1相互作用共同決定單子葉水稻花粉萌發(fā)孔的形成和發(fā)育模式。相關(guān)研究成果以“Rice pollen aperture formation is regulated by the interplay between OsINP1 and OsDAF1”為題發(fā)表于Nature Plants雜志上。上海交通大學(xué)在讀博士生張旭和已畢業(yè)的趙國(guó)超博士為論文共同第一作者，梁婉琪研究員為通訊作者。
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花粉是開花植物的雄配子體，在植物有性生殖、物種繁衍以及糧食生產(chǎn)中扮演重要角色?；ǚ坌螒B(tài)多樣、具有物種特異性，是植物分類的重要參考依據(jù)之一。然而，花粉形態(tài)物種多樣性的形成機(jī)制不清楚，是植物學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期沒有解決的重要科學(xué)問(wèn)題。花粉萌發(fā)孔是花粉表面沒有堅(jiān)硬外壁覆蓋的區(qū)域，在授粉期間具有促進(jìn)花粉吸水和花粉管萌發(fā)的作用?；ǚ勖劝l(fā)孔特征主要由大小、形狀、位置和數(shù)量等決定。雙子葉植物花粉最典型的萌發(fā)孔是在花粉表面等距平行排列的三個(gè)花粉溝組成；而單子葉植物的特征性萌發(fā)孔是在遠(yuǎn)端分布的單個(gè)萌發(fā)孔(圖1)。
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水稻、玉米、小麥等禾本科的糧食作物具有類似的花粉萌發(fā)孔的形態(tài)：即由分布在花粉遠(yuǎn)端的單個(gè)孔狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。與雙子葉模式植物擬南芥所具有的無(wú)花粉外壁覆蓋的溝狀花粉萌發(fā)孔相比，水稻的花粉萌發(fā)孔具有復(fù)雜的附屬結(jié)構(gòu)。水稻萌發(fā)孔中無(wú)花粉外壁沉積區(qū)域呈環(huán)狀，被一圈向外突起的、類似于瓶口的孔環(huán)（annulus）結(jié)構(gòu)包圍，中央被蓋子狀的孔蓋（operculum）結(jié)構(gòu)覆蓋(圖1)。然而，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直不清楚雙子葉和單子葉植物中萌發(fā)孔的形態(tài)和結(jié)構(gòu)差異的具體機(jī)制。
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圖 1 擬南芥和水稻花粉形態(tài)對(duì)比
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INP1（INAPERTURATE POLLEN1 ）是一個(gè)功能未知蛋白，在擬南芥中被證明是花粉萌發(fā)孔形成關(guān)鍵因子，在萌發(fā)孔起始位置聚集，指導(dǎo)萌發(fā)孔形成，功能缺失會(huì)導(dǎo)致萌發(fā)孔不能正常形成。在這項(xiàng)最新的研究中，研究人員證明了水稻中的INP1同源基因在單子葉水稻花粉萌發(fā)孔形成過(guò)程發(fā)揮保守的生物學(xué)功能，OsINP1在萌發(fā)孔起始位置極性定位，指導(dǎo)形成環(huán)狀的無(wú)外壁覆蓋區(qū)域。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)水稻中OsINP1還可以招募OsDAF1（DEFECTIVE IN APERTURE FORMATION1）到萌發(fā)孔位置指導(dǎo)萌發(fā)孔外圍孔環(huán)結(jié)構(gòu)的形成，而在擬南芥萌發(fā)孔中沒有這種結(jié)構(gòu)。OsDAF1蛋白隸屬于凝集素受體激酶家族，當(dāng)在萌發(fā)孔周圍聚集時(shí)促進(jìn)外壁成分沉積骨架分叉，使得更多外壁物質(zhì)在這些位置沉積形成向外突起的結(jié)構(gòu)(圖2)。
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圖 2 OsINP1和OsDAF1協(xié)同控制水稻萌發(fā)孔形成的作用機(jī)制
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該研究首次報(bào)道了導(dǎo)致不同物種花粉萌發(fā)孔形態(tài)差異的重要因素，為揭示谷類糧食作物花粉發(fā)育過(guò)程中花粉的表面模式形成、萌發(fā)孔極性建立的分子機(jī)制提供了新的線索。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然基金資助。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0630-6
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