中外团队揭示被子植物受精过程关键机制

新授粉的拟南芥花已经在镜头前移除了萼片和花瓣。段提供了图片。

被子植物的受精过程是种子形成的关键环节。防止多精子细胞与卵细胞结合，即多精受精，对于维持后代基因组的稳定性非常重要。

3月19日，《自然》在线发布了山东农业大学和麻省大学阿姆赫斯特分校联合完成的最新研究结果。经过多年的努力，他们发现了被子植物阻止多个花粉管进入胚珠的分子机制。

该论文的第一作者、山东农业大学园艺科学与工程学院教授段告诉《中国科学报》,拟南芥FERONIA受体激酶起着重要作用。在花粉管和胚珠的相互作用中有一个“双重调节机制”:它负责调节花粉管进入胚珠并释放精细胞的机制；它还负责防止其他花粉管进入已经是“名花有主”的胚珠。

“恒星受体”备受关注

在长期进化过程中，开花植物进化出了花管受精现象，即通过花粉管将静止的精子转移到胚珠中的卵细胞。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员杨告诉《中国科学新闻》:“这种进化结果使得受精不再依赖于水环境的存在，因此开花植物适应陆地环境至关重要。”。同时，花粉管受精具有种特异性(生殖隔离)和花粉管与雌配子体的一对一关系。换句话说，雌性配子体只允许一个花粉管进入。”

北京大学生命科学学院教授屈在接受《中国科学报》采访时表示，在被子植物中，精子没有鞭毛作为“动力系统”，只能像受精的“货物”一样被动地从花粉管输送到雌配子体。花粉管被胚珠分泌的各种吸引物质吸引，并被精确地导入雌性配子体。

费洛尼亚缺失突变胚珠不能阻止多个花粉管进入。段提供了图片。

在自然授粉过程中，花粉通常过多，因此进入雌蕊的花粉管数量总是超过胚珠数量然而，屈说，在正常情况下，花粉管总是能够成功地“绕过”已被“占据”的胚珠，找到未被“占据”的胚珠。

“这种有趣的现象不仅阻止了植物用多个花粉管受精，还确保了最大的繁殖效率和种子产量。因此，它对农业生产具有重要意义。”屈说:

在过去的几十年里，科学家们对植物的机制进行了许多研究，以避免“多精”现象，并提出了许多假说。

“FERONIA(以下简称FER)，一种蛋白激酶，在植物的许多器官中表达。它影响许多重要的生物过程，包括植物的生长和发育、对生物和非生物胁迫的反应、有性生殖等。可以说，它就像一个“恒星接收器”。”段告诉《中国科学报》说，他们已经研究很久了。

2014年，他们发现在FER缺乏的突变胚珠的辅助细胞和丝状器官中，活性氧的含量下降，花粉管进入胚珠辅助细胞后仍不能断裂，而是在胚珠中“盘旋”生长。他们认为FER可以调节胚珠丝状器官中活性氧的积累，从而促进花粉管破裂和精子的释放。

当第一个花粉管到达时，FER与去甲基化的果胶结合，诱导一氧化氮的产生，一氧化氮在丝状器官中积累。段提供了图片。

同时，多个花粉管进入同一胚珠的异常现象在FER缺陷型突变体中变得非常普遍。这也让他们意识到FER对花粉管可能有不止一种调节机制。

“当受体蛋白FERONIA缺失时，花粉管会被雌性配子体吸引并继续生长，但它们不会破裂释放携带的精子，同时许多花粉管会进入同一雌性配子体。这表明FERONIA对精子的及时释放和防止多余花粉管的进入非常重要，但其机制尚不清楚。杨对说道。

"灯丝是事故发生的地方."

花粉落在雌蕊柱头上后，花粉管开始生长。花粉管是顶端生长的单细胞管状结构。它在雌蕊中不断向胚珠中的卵细胞生长，精子不断向前运输。

"花粉管在细胞壁之间前进，直到进入胚珠，而不进入细胞内部。"在到达胚珠的雌配子体之前，有一种称为丝状器官的结构，即由两个辅助细胞形成的细胞膜和细胞壁的连接处，这是FERONIA蛋白的高表达位点和LURE蛋白的高表达位点，吸引花粉管进入胚珠。“灯丝是这些事件发生的地方。我们的研究就在这里。”段对说道。

一氧化氮使诱饵蛋白亚硝酰化，以防止诱饵蛋白的分泌。段提供了图片。

只要胚珠不接受花粉管，胚珠就会通过丝状器官持续分泌诱导蛋白LURE，并能持续3天。段说，花粉管一旦穿过细胞壁进入胚珠，一系列的连锁反应就会被激活。

第一个变化是丝状器官上的低甲酯果胶。受体激酶FER调节低甲酯化树胶成为多种小分子。这些小分子进一步诱导丝状器官中一氧化氮的积累。

“以前的研究表明，一氧化氮具有亚硝化作用。我们在这项研究中发现，一氧化氮确实使诱导的蛋白质LURE亚硝酰化，并作用于两个位点。段说，这两个位点的修饰，一方面阻止了继续分泌，另一方面使失去了诱导花粉管的活性，使其他花粉管无法进入这种名花的胚珠。

“令人惊讶的是，植物在这种机制中‘选择’一氧化氮，气体可以迅速扩散。一氧化氮很可能到达那些已经分泌到远端的诱导剂，使整个机制迅速发挥作用。段说，当末端诱导蛋白LURE失活时，“晚期”花粉管会转向其他尚未“占领”的胚珠。

一氧化氮使诱饵蛋白亚硝酰化，以防止诱饵蛋白吸引花粉管。段提供了图片。

在FER缺陷型突变胚珠中，丝状器官中低甲基化果胶和一氧化氮的含量明显低于野生胚珠，这证实了上述机制。体外实验也证明用低甲基酯化果胶处理胚珠可以刺激一氧化氮的产生。

“这些发现表明，当第一个花粉管到达时，胚珠状态发生变化，对花粉管的吸引力被释放，而后面的花粉管被阻止进入，从而避免了多精现象。这项研究揭示了一种新的机制，通过这种机制FERONIA调节红细胞增多症。杨对说道。

离远缘杂交又近了一步

在植物有性生殖过程中，雄性和雌性之间的信号传递具有很强的时空特异性，这给有性生殖过程的分子调控机制研究带来很大困难屈说，这项工作跨越了10年，准确地区分了许多不同但相关和重叠的生物学过程，如花粉管定向，避免“多精”和受精补偿。它将星形受体FER与细胞壁成分果胶、花粉管吸引信号转导、气体分子一氧化氮等因素联系起来，揭示了一种在分子水平上阻止被子植物多种花粉管受精的新的调控网络，极大地加深了人们对植物有性生殖过程中细胞-细胞相互作用的认识，是植物生殖生物学研究领域的一大突破。

《通讯》的作者、美国麻省大学阿姆赫斯特分校的教授艾丽丝·张(Alice Y. Cheung)表示，该研究揭示了胚珠如何在分子和生化水平上协调“花粉管破裂”和“阻止多根花粉管进入胚珠”这两个不同但又密切相关的生物学过程，为进一步研究被子植物受精过程的调控机制提供了重要启示。

这一发现揭示了从开花植物中释放精子和避免多个花粉管的分子机制，丰富和完善了人类对花粉管粉末受精现象的认识杨对说道。

在进化过程中，植物会形成种间生殖隔离的机制，即一种植物的花粉，即使花粉管生长，也很难准确进入另一种植物的胚珠。对于拟南芥的胚珠，荠菜的花粉管很难准确进入，荠菜是拟南芥的近亲。

然而，一些野生植物可能含有优良性状的基因，如抗旱性和耐盐性。科学家们一直希望通过远缘杂交打破植物物种和属之间的隔离，并将这些特征引入作物，以获得新的作物品种。导致杂交障碍的主要原因之一是雌雄配子体的有效鉴定。

"有了这项成就，我们离实现远缘杂交又近了一步."段对说道。然而，未来植物施肥过程的研究仍有一些科学问题需要解决。这包括诱导蛋白LURE的降解机制是什么？除了FER受体调节的“不再吸引”晚期花粉管的机制之外，还有没有其他机制“阻止”甚至“排斥”晚期花粉管？

"我相信在整个受精过程中还有许多问题需要解决."段对说道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2106-2