中外团队揭示被子植物受精过程关键机制

 
 
中外团队揭示被子植物受精过程关键机制  
 

刚刚授粉的拟南芥花，摘掉了镜头前面的萼片和花瓣。段巧红供图

被子植物的受精过程是种子形成的关键环节。防止多个精细胞与卵细胞结合，即多精受精，对于维持后代基因组的稳定是非常重要的一件事。

3月19日，《自然》在线发表了山东农业大学与美国马萨诸塞大学阿默斯特分校共同完成的最新成果。经过多年努力，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。

论文第一作者、山东农业大学园艺科学与工程学院教授段巧红告诉《中国科学报》，扮演这一重要角色的就是拟南芥FERONIA受体激酶。它在花粉管与胚珠相互作用中具有“双重调控机制”：既负责调控花粉管进入胚珠后破裂从而释放精细胞的机制；也负责阻止别的花粉管进入已经“名花有主”的胚珠。

“明星受体”备受关注

在长期进化过程中，开花植物进化出了花管粉受精现象，就是通过花粉管把不能运动的精子传递到胚珠中卵细胞。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员杨维才告诉《中国科学报》：“这一进化结果使得受精不再依赖于水环境的存在，所以对开花植物适应陆生环境至关重要。同时，花管粉受精具有种属特异性（生殖隔离）和花粉管与雌配子体的一对一的关系。也就是说一个雌配子体只允许一根花粉管进入。”

北京大学生命科学学院教授瞿礼嘉告诉《中国科学报》，在被子植物中，由于精细胞已经没有鞭毛作“动力系统”，因而只能像“货物”一样由花粉管被动运输至雌配子体中进行受精。花粉管受到胚珠分泌的多种吸引物质的吸引，精准导向进入雌配子体中。

FERONIA缺失突变体胚珠不能阻止多个花粉管进入。段巧红供图

“在自然状态下的传粉过程，花粉通常是过量的，因此进入雌蕊中的花粉管数目总是大大超过胚珠的数目。”瞿礼嘉说，尽管如此，正常情况下，花粉管总是可以成功“绕开”已经被“占位”的胚珠，而去找尚未“占位”的胚珠。

“这种有意思的现象不仅使植物避免了多花粉管受精，而且也保证了生殖效率和种子产量的最大化，因此对农业生产意义重大。”瞿礼嘉说。

在过去几十年间，科学家们对植物避免“多精受精”现象的机制进行了诸多研究，也提出了多种假设。

“FERONIA（以下简称FER）这个蛋白激酶在植物体内的很多器官都会大量表达，它影响了很多重要的生物学过程，包括植物生长发育、响应生物及非生物胁迫、有性生殖等。可以说它就像一个‘明星受体’。”段巧红告诉《中国科学报》，他们很早之前就开始研究FER。

2014年，他们发现，在FER缺失的突变体胚珠的助细胞与丝状器部位，活性氧含量变少，花粉管进入胚珠助细胞后仍然不能破裂，而在胚珠内“绕圈”生长。他们判断，FER能调节活性氧在胚珠丝状器部位的积累，从而促使花粉管破裂，释放出精细胞。

当第一根花粉管到达后，FER与去甲酯化果胶结合诱导产生一氧化氮（NO），使NO在丝状器中积累。段巧红供图