山东农业大学张彦课题组揭示拟南芥ADP核糖基化因子介导绒毡层控制的花粉发育

2021年7月26日，The Plant Journal在线发表了山东农业大学张彦教授课题组题为“Arabidopsis ADP-RIBOSYLATION FACTOR-A1s mediate tapetum-controlled pollen development”的研究论文。该研究发现ADP-核糖基化因子ArfA1s通过后高尔基体运输途径介导蛋白质靶向，从而在绒毡层控制的花粉发育中发挥关键作用。

被子植物繁殖主要依靠有性生殖，而配子体发育是有性生殖的先决条件。雄配子体发育同时需要配子体和孢子体因子，最重要的是与发育小孢子相邻的绒毡层细胞，其早期分泌的营养物质和酶类对花粉小孢子发育至关重要，而晚期的程序性细胞死亡为发育中的小孢子提供营养和信号。除进化上保守的转录级联调控外，内膜区室蛋白，如受体样激酶（RLKs）和液泡蛋白酶也是绒毡层控制花粉发育的关键。

ADP-核糖基化因子（ADP-ribosylation factor，Arfs）是小G蛋白家族成员，参与基因表达、细胞骨架重组装、微管形成以及囊泡和核孔运输等重要生物过程。该研究发现ADP-核糖基化因子A1s（ArfA1s）介导绒毡层控制的花粉发育。拟南芥基因组共编码6个ArfA1亚家族成员，它们均在花药发育期间表达，其中ArfA1b在绒毡层和发育小孢子中显示特异性高表达。

由于存在功能冗余，ArfA1b缺失突变并未显示出明显的花粉发育缺陷。但通过显性负性（DN）方法干扰绒毡层中ArfA1s的表达则导致绒毡层功能障碍和花粉败育（图1）。

图1. ArfA1bDN的绒毡层特异性表达导致花粉败育

共聚焦荧光观察显示，ArfAs定位与高尔基和反式高尔基体网络/早期内体(TGN/EE)相关。内膜蛋白的靶向运输检测结果表明，ArfAs调控后高尔基体向质膜或液泡的转运。由此推测，ArfA1bDN表达可能干扰了绒毡层功能关键蛋白的靶向运输。经验证发现，ArfA1bDN表达确实显著降低了关键蛋白RLKs的质膜相关性以及CEP1的液泡靶向定位。以上表明，绒毡层功能相关性蛋白的正确靶向依赖于ArfAs介导的后高尔基体运输。

图2. 干扰ArfA1b依赖性后高尔基体运输减弱了花药RLKs的质膜靶向

山东农业大学张彦教授为本论文通讯作者，课题组已毕业硕士研究生朱瑞敏和李敏，以及李善伟副教授为本论文并列第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助与支持。