中外团队揭示被子植物受精过程关键机制(2)

与此同时，FER缺失的突变体中，多个花粉管进入同一个胚珠的不正常现象变得很常见。这也让他们意识到，FER对于花粉管的调控机制有可能不止一项。

“当受体蛋白FERONIA缺失时，花粉管可以被吸引到达雌配子体并持续生长，但并不破裂释放其携带的精子，同时伴随多根花粉管进入同一雌配子体的情况。这说明FERONIA对于精子的及时释放和阻止多余花粉管的进入是很重要的，但其机制并不清楚。”杨维才说。

“丝状器是事件发生的地点”

花粉落在雌蕊的柱头上后，就开始生长出花粉管。花粉管是一个顶端生长的单细胞管状结构，它在雌蕊中向着胚珠中的卵细胞不断生长，精细胞随之被不断的向前运送。

“花粉管进入胚珠之前一直在细胞壁之间前进，不会进入细胞内部。”一直到它抵达了胚珠的雌配子体，这里有一个叫做丝状器的结构，就是两个助细胞共同组成的细胞膜与细胞壁的交界处，是FERONIA蛋白大量表达的部位，也是吸引花粉管进入胚珠的LURE蛋白大量表达的部位。“丝状器就是这些事件发生的地点。我们的研究就在这里。”段巧红说。

一氧化氮对诱饵蛋白进行亚硝基化修饰以阻止诱饵蛋白的分泌。段巧红供图

只要胚珠没有接受花粉管，胚珠就会通过丝状器持续分泌诱导蛋白LURE，可以坚持2-3天。段巧红说，一旦花粉管穿过细胞壁进入胚珠，一系列连锁反应就会被激活。

首先发生变化的是丝状器上的低甲酯化果胶质。受体激酶FER调控低甲酯化果胶质，使其变成多个小分子。这些小分子进一步诱导一氧化氮在丝状器的积累。

“此前研究表明，一氧化氮有亚硝基化作用。我们在这个研究中发现，一氧化氮的确对诱导蛋白LURE进行亚硝基化修饰，而且作用在两个位点上。” 段巧红说，对这两个位点的修饰，一方面阻止了LURE的继续分泌，另一方面使LURE失去诱导花粉管的活性，其他花粉管因此不能进入这个“名花有主”的胚珠。

“神奇的是，植物在这个机制中‘选择’了一氧化氮，而气体能够快速扩散。一氧化氮有可能到达那些已经分泌到远端的LURE，使得整个机制能够迅速发挥作用。”段巧红说，当远端的诱导蛋白LURE失活以后，“迟到”的花粉管就会及时转向别的尚未被“占位”的胚珠。

一氧化氮对诱饵蛋白进行亚硝基化修饰以阻止诱饵蛋白对花粉管的吸引。段巧红供图

在FER缺失的突变体胚珠中，丝状器部位的低甲酯化果胶质和一氧化氮含量都显著低于野生型胚珠，证实了上述机制。体外实验也证明，用低甲酯化果胶质处理胚珠，能够刺激一氧化氮产生。

“这些发现说明，当第一根花粉管到达时改变了胚珠状态，解除对花粉管的吸引并阻止后来的花粉管进入，避免多精受精现象。该研究揭示了FERONIA调控多精现象的一种新机制。”杨维才说。

离远缘杂交更近一步

“在植物有性生殖的过程中，雌雄双方的信号交流具有很强的时空特异性，因此给研究调控有性生殖过程的分子机制带来很大的困难。”瞿礼嘉说，这项工作跨越十年时间，精准地区分了花粉管导向、避免“多精受精”和受精补偿等多个不同但有联系、功能重叠的生物学过程，将明星受体FER与细胞壁组分果胶、花粉管吸引信号转导以及气体分子一氧化氮等多个因素联系在一起，在分子水平上揭示了被子植物中一个全新的防止多花粉管受精的调控网络，大大加深了人们对植物有性生殖过程中细胞—细胞间相互交流的理解，是植物生殖生物学研究领域的一个重大突破。