[交大智慧]上海交大梁婉琪研究組發(fā)現水稻花粉萌發(fā)孔發(fā)育新機制
近日，上海交通大學生命科學技術學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。上海交通大學在讀博士生張旭和已畢業(yè)的趙國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中扮演重要角色。花粉形態(tài)多樣、具有物種特異性，是植物分類的重要參考依據之一。然而，花粉形態(tài)物種多樣性的形成機制不清楚，是植物學領域長期沒有解決的重要科學問題?；ǚ勖劝l(fā)孔是花粉表面沒有堅硬外壁覆蓋的區(qū)域，在授粉期間具有促進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花粉溝組成；而單子葉植物的特征性萌發(fā)孔是在遠端分布的單個萌發(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)：即由分布在花粉遠端的單個孔狀結構構成。與雙子葉模式植物擬南芥所具有的無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)孔具有復雜的附屬結構。水稻萌發(fā)孔中無花粉外壁沉積區(qū)域呈環(huán)狀，被一圈向外突起的、類似于瓶口的孔環(huán)（annulus）結構包圍，中央被蓋子狀的孔蓋（operculum）結構覆蓋(圖1)。然而，長期以來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)和結構差異的具體機制。
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圖 1 擬南芥和水稻花粉形態(tài)對比
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INP1（INAPERTURATE POLLEN1 ）是一個功能未知蛋白，在擬南芥中被證明是花粉萌發(fā)孔形成關鍵因子，在萌發(fā)孔起始位置聚集，指導萌發(fā)孔形成，功能缺失會導致萌發(fā)孔不能正常形成。在這項最新的研究中，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)孔形成過程發(fā)揮保守的生物學功能，OsINP1在萌發(fā)孔起始位置極性定位，指導形成環(huán)狀的無外壁覆蓋區(qū)域。研究人員進一步發(fā)現水稻中OsINP1還可以招募OsDAF1（DEFECTIVE IN APERTURE FORMATION1）到萌發(fā)孔位置指導萌發(fā)孔外圍孔環(huán)結構的形成，而在擬南芥萌發(fā)孔中沒有這種結構。OsDAF1蛋白隸屬于凝集素受體激酶家族，當在萌發(fā)孔周圍聚集時促進外壁成分沉積骨架分叉，使得更多外壁物質在這些位置沉積形成向外突起的結構(圖2)。
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圖 2 OsINP1和OsDAF1協同控制水稻萌發(fā)孔形成的作用機制
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該研究首次報道了導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)育過程中花粉的表面模式形成、萌發(fā)孔極性建立的分子機制提供了新的線索。該研究得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然基金資助。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0630-6
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