瞿礼嘉团队在分子层面上验证了的“同种花粉优先”现象提供了机制性解释

来源：植物科学最前沿

原标题：Science | 北京大学瞿礼嘉团队在分子层面上为达尔文在160年前用实验验证了的“同种花粉优先”现象提供了机制性解释

2019年5月31日，Science在线发表了北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心瞿礼嘉教授课题组题为“Cysteine-rich peptides promote interspecific genetic isolation in Arabidopsis ”的研究长文（article），报道了被子植物拟南芥中的一种由小肽信号介导的信号通路，并揭示了该信号通路调控花粉管导向，促进种间遗传隔离的分子机制。

前人的研究表明，有花植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）雌性生殖器官中助细胞分泌的一类小肽信号（AtLURE1s）的5个成员可以特异地吸引该物种的雄性细胞花粉管（含有精子细胞）。但有意思的是，无论是小肽信号AtLURE1，还是感受该信号的受体，在失去功能后植物都能顺利完成花粉管吸引和后续的受精过程，并产生正常的种子。这一现象引起研究人员的注意，并重新思考AtLURE1介导的花粉管导向的生物学功能。

瞿礼嘉课题组先发现了两个与上述5个成员具有相同功能的AtLURE1s成员，随后利用CRISPR/Cas9技术获得了AtLURE1家族全体成员均被敲除的突变体（atlure1），发现突变体植株仍然可以正常产生种子。这表明，具有物种特异性花粉管吸引活性的小肽AtLURE1s并不是完成花粉管导向和后续受精过程所必需的。那么AtLURE1s这些拟南芥特异的小肽信号的生物学功能又是什么呢？进一步研究发现，若将拟南芥的花粉与另一种与拟南芥亲缘关系很近的物种琴叶拟南芥（A. lyrata）的花粉一起共同授于拟南芥的柱头上，在AtLURE1信号正常的植物中，拟南芥的花粉管被优先吸引，竞争性明显；而在缺失了AtLURE1信号的atlure1突变体植株中，拟南芥的花粉管被优先吸引的能力就显著降低。上述研究表明，AtLURE1s并不是拟南芥雌性器官分泌的吸引雄方花粉管的唯一信号，而是一类通过增加自身花粉管竞争能力、促进与亲缘关系相近物种产生遗传隔离的信号（见附图）。该研究结果赋予了AtLURE1新的生物学功能，在分子层面上为达尔文在160年前用实验验证了的“同种花粉优先”现象提供了机制性解释。

有意思的是，瞿礼嘉课题组进一步发现，拟南芥的雌性器官还可以分泌四个没有物种特异性的吸引花粉管的小肽信号，这几个小肽信号不仅可以吸引拟南芥的花粉管，还可以吸引其他近缘种如琴叶拟南芥和哈勒氏拟南芥（A. halleri）的花粉管。瞿礼嘉课题组把这四个没有物种特异性的小肽命名为XIUQIU（为“绣球”的汉语拼音，取自中国古代待嫁女子抛绣球选丈夫的典故）。这也解释了为什么在所有AtLURE1s基因被突变后，拟南芥的花粉管仍然能够找到胚珠、完成受精并产生种子。“绣球”小肽信号的发现极大地完善了小肽信号调控有花植物受精过程的作用模型。

1. 拟南芥AtLURE1s-PRK6小肽受体信号通路通过特异吸引自身花粉管穿出隔膜的作用，促进A. thaliana与近缘种A. lyrata的遗传隔离。2. 物种特异的吸引花粉管的小肽AtLURE1s与非物种特异的吸引花粉管的小肽XIUQIUs共同调控花粉管的导向过程。

据悉，北京大学生命科学学院瞿礼嘉教授为该论文的通讯作者，实验室助理研究员钟声博士、北京大学生命科学学院博士研究生柳美玲和王志娟为该论文的共同第一作者；中国科学院植物研究所郭亚龙研究员、中国农业大学资源与环境学院刘培教授、德国雷根斯堡大学Thomas Dresselhaus教授、美国Rutgers大学董娟博士、北京大学生命科学院肖俊宇研究员和顾红雅教授等也参与了其中部分工作。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/364/6443/eaau9564