山东农业大学高新起课题组揭示花粉特异性SKU5-Similar 13调控拟南芥花粉管生长的功能机制

    2021年10月9日，Journal of Experimental Botany在线发表了山东农业大学生命科学学院/作物生物学国家重点实验室高新起教授课题组题为“Pollen-specific SKU5-Similar 13 enhances the growth of pollen tubes in the transmitting tract in Arabidopsis”的研究论文。

    该研究发现拟南芥花粉特异性SKU5-Similar 13（SKS13）通过介导茉莉酸生物合成和花粉管细胞壁修饰来促进传输通道中花粉管的生长。

    雌蕊组织中花粉管的穿透性生长对于植物授粉期间精子到胚囊的转移必不可少，尽管如此，目前对介导花粉管生长的机制仍知之甚少。

    拟南芥SKU5-Similar蛋白（SKS）家族是一类含19个成员的多铜氧化酶样蛋白，其中包括SKU5和SKS1-18。

    研究发现，定位于质膜和细胞壁的SKU5通过参与细胞壁的扩张而与根系生长相关；SKS1和SKS3/SKU5通过参与细胞极性生长和细胞壁代谢在拟南芥根发育调控中发挥冗余功能。

    SKS13在拟南芥叶片中的异位表达增强了植物对昆虫的防御能力。

    另外，棉花花粉特异性SKS样蛋白PSP231通过激活胼胝质的生物合成促进花粉成熟。

    本研究通过表达模式分析发现，SKS13在花粉中高量表达，为花粉/花粉管特异性基因。

    亚细胞定位分析显示，SKS13蛋白分布于整个细胞质以及花粉管顶端区域的细胞壁。

    sks13/+与WT正反交实验结果显示，sks13敲除突变体中sks13突变等位基因的雄配子传递率显著降低，表明SKS13对于雄配子体功能至关重要。

    体外花粉萌发试验发现，sks13花粉管在体外培养时破裂的频率更高。

    果胶和纤维素是拟南芥花粉管细胞壁的主要成分，也是维持花粉管生长和完整性的重要组成部分，对其进行染色标记观察，结果发现，SKS13突变后花粉管细胞壁顶端区域的果胶含量减少，纤维素含量增加，因此可能是导致生长中花粉管破裂的原因。

    将sks13或野生型花粉人工授粉至去雄的野生型雌蕊，后经苯胺蓝染色观察发现，sks13花粉管在传输通道中的生长速度明显慢于野生型，相应突变体角果较短，种子数量减少（图1）。

    图1. sks13突变体花粉管生长缺陷高通量mRNA测序分析表明，SKS13正调控花粉中JA的生物合成。

    并且经验证发现，JA生物合成抑制剂处理后的花粉管生长和果胶分布情况与sks13突变体相似（图2）。

    此外，系统发育分析显示SKS14为SKS13的同源基因，两者在花粉管生长调控方面存在功能冗余。

    图2. JA合成抑制剂DIECA处理后的花粉表型该研究得到了国家自然科学基金和青年科学基金的资助。