植物如何啟動(dòng)受精恢復(fù)？中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新機(jī)制破解百年謎團(tuán)

　　中新網(wǎng)北京7月28電(記者 孫自法)植物如何感知雌配子受精失敗進(jìn)而啟動(dòng)受精恢復(fù)以確保受精成功？植物開(kāi)花受精過(guò)程中這種極具生命力的自然現(xiàn)象，自1904年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已成為延續(xù)超過(guò)百年的科學(xué)之問(wèn)。

　　這一備受學(xué)界關(guān)注的百年科學(xué)之問(wèn)謎團(tuán)，最近被中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(遺傳發(fā)育所)李紅菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)研究破解，他們發(fā)現(xiàn)雌配子直接通過(guò)分泌花粉管吸引信號(hào)恢復(fù)受精的機(jī)制，確認(rèn)植物中央細(xì)胞具有花粉管吸引能力的兩個(gè)信號(hào)分子SALVAGER1(SAL1)和SAL2，是雌配子控制的受精恢復(fù)機(jī)制的主效因子。

李紅菊研究員(中)和研究團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室研討分析實(shí)驗(yàn)樣品與數(shù)據(jù)。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所 供圖

　　該項(xiàng)研究回答了為什么植物雙受精失敗胚珠會(huì)持續(xù)吸引花粉管的問(wèn)題，也為回答自然界有些物種的助細(xì)胞在進(jìn)化中丟失提供了線(xiàn)索，并為通過(guò)人工授粉挽救瀕危物種提供了理論參考。相關(guān)成果論文北京時(shí)間7月28日夜間在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線(xiàn)發(fā)表。審稿人評(píng)價(jià)“這項(xiàng)工作很重要”“發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意料之外的中央細(xì)胞的功能”。

　　論文通訊作者李紅菊研究員介紹說(shuō)，植物開(kāi)花受精發(fā)育形成果實(shí)是人類(lèi)熟知的自然規(guī)律，也為人類(lèi)提供了賴(lài)以生存的重要“口糧”。早在1904年，人們就觀(guān)察到植物開(kāi)花受精過(guò)程中的一種極具生命力的現(xiàn)象——受精恢復(fù)，即植物的雌配子受精失敗后，胚珠會(huì)吸引額外的花粉管運(yùn)送來(lái)新的精細(xì)胞，以確保受精成功。其中，被子植物的胚囊被包裹在胚珠中，一般包含兩個(gè)助細(xì)胞、兩個(gè)雌配子(兩個(gè)雌配子包括一個(gè)卵細(xì)胞和一個(gè)中央細(xì)胞，受精后分別發(fā)育成胚胎和胚乳)以及三個(gè)反足細(xì)胞。

　　過(guò)去20年的研究發(fā)現(xiàn)，助細(xì)胞分泌花粉管吸引信號(hào)，在植物受精中發(fā)揮重要作用。然而，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)生物技術(shù)獲得的缺失助細(xì)胞的胚珠，受精恢復(fù)機(jī)制可以不依賴(lài)助細(xì)胞而確保植物繁殖成功，那么，其受精恢復(fù)的秘密到底藏在哪里呢？研究團(tuán)隊(duì)將目光聚焦到中央細(xì)胞，而他們和中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所楊維才院士的早期研究工作已證實(shí)中央細(xì)胞參與花粉管吸引。

李紅菊研究員(左)和研究團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室研討分析實(shí)驗(yàn)樣品與數(shù)據(jù)。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所 供圖

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析方法，確定97個(gè)植物候選分泌型小肽分子，這些小分子具有分泌出細(xì)胞的特性，符合可以作為花粉管吸引信號(hào)的特征。對(duì)這些小肽進(jìn)行體外純化，再通過(guò)體外花粉管吸引實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一一驗(yàn)證，最終篩選出SAL1/2這兩個(gè)具有花粉管吸引能力的信號(hào)分子。在體內(nèi)條件下，進(jìn)一步證明它們具有花粉管吸引能力，并且SAL1/2能夠直接結(jié)合在花粉管的質(zhì)膜上。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)SAL1/2在受精前定位于中央細(xì)胞。但當(dāng)助細(xì)胞吸引能力缺陷或者在受精過(guò)程中被突變花粉管破壞，研究團(tuán)隊(duì)觀(guān)察到SAL1/2定向分泌到胚珠珠孔，到達(dá)株孔外的株柄上。

　　“這意味著從空間分布上取得了SAL1/2可以作為吸引信號(hào)引導(dǎo)花粉管從株柄到達(dá)胚囊的證據(jù)?！崩罴t菊指出，為進(jìn)一步證實(shí)這一新發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了研究SAL1/2功能的擬南芥突變體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中央細(xì)胞SAL1/2花粉管吸引過(guò)程，與已知的助細(xì)胞花粉管吸引過(guò)程在保障受精的功能中存在功能冗余，并表明SAL1/2是雌配子控制的受精恢復(fù)機(jī)制的主效因子。

SALVAGER負(fù)責(zé)受精恢復(fù)機(jī)制模式圖。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所供圖

　　她表示，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)抽絲剝繭層層論證，最終證明SAL1/2在助細(xì)胞失效時(shí)被分泌到珠孔外，發(fā)揮吸引花粉管的功能，也證明中央細(xì)胞通過(guò)分泌SAL1/2直接參與植物的受精恢復(fù)機(jī)制。此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)擬南芥的近緣種琴葉擬南芥也開(kāi)展類(lèi)似研究，并且得到同樣的結(jié)論，這表明中央細(xì)胞控制植物受精補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制在自然界可能是一個(gè)普遍現(xiàn)象。

　　中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所透露，目前，李紅菊研究團(tuán)隊(duì)正致力于解析傳粉受精過(guò)程中生殖隔離的遺傳機(jī)制，并基于相應(yīng)的理論對(duì)大豆、油菜等進(jìn)行遺傳操作和遠(yuǎn)緣雜交，希望通過(guò)將野生植物基因資源導(dǎo)入栽培品種創(chuàng)制智能適應(yīng)性新作物，以應(yīng)對(duì)全球極端氣候和病蟲(chóng)害頻發(fā)，為保障糧食安全貢獻(xiàn)力量。