Plant Cell：上海交通大学梁婉琪团队发现水稻花粉外壁模式形成的新机制

来源：BioArt植物

2020年10月23日，上海交通大学梁婉琪教授研究团队在植物生物学权威期刊The Plant Cell发表了题为Grass-Specific EPAD1 Is Essential for Pollen Exine Patterning in Rice的论文，报道了一个禾本科特异的G类脂转运蛋白（Type G nsLTP）EPAD1在禾本科模式作物水稻花粉外壁模式建成过程中的重要作用。

开花植物的花粉（雄配子体）外覆盖着一层坚硬的外壁，在保护雄配子体，以及授粉受精过程的雌雄识别中具有非常重要的作用。自然界中，开花植物的花粉外壁表面呈现多种多样和物种特异性的形态。花粉外壁是一个经过精确组装的多层结构，主要由孢粉素组成，孢粉素的组装方式决定了花粉外壁表面形态的多样性。然而，具有物种特异性花粉外壁模式的形成机制，特别是小孢子自身在花粉外壁模式建成中的作用还很不清楚。

植物花粉外壁形成起始于植物减数分裂后的四分体形成时期，这时刚刚产生的小孢子细胞膜和胼胝质壁之间形成糖萼样初生外壁层（Primexine）。初生外壁已被证明在花粉外壁模式建成过程中起到模板（template/scaffold）作用，但是初生外壁层是如何引导孢粉素有序堆积和组装尚不清楚。已报道的影响初生外壁层形成的因子（图1）在单双子叶植物中均较为保守，这些基因可能并不直接参与物种特异性的花粉外壁模式的形成。

EPAD1 编码一个禾本科特异的 Type G nsLTP。EPAD1 的突变不影响孢粉素以及初生外壁组分的合成和转运，但破坏了四分体时期初生外壁层的连续性和均质性，以及初生柱状层的规则排布，进而改变了孢粉素在花粉表面的组装方式和最终的花粉外壁模式，导致花粉败育。EPAD1特异地在花粉母细胞至早期小孢子中表达，并且四分体时期EPAD1从细胞质中被重新定位到细胞膜上，参与初生外壁层的形成。对 EPAD1 蛋白的分子功能进行研究发现，第204，205，206位丝氨酸是冗余的糖基化磷脂酰肌醇锚定区(GPI-anchor)锚定位点，GPI-anchor 通过连接在其中任一个丝氨酸位点上，将EPAD1蛋白锚定在四分体和早期小孢子细胞膜表面发挥功能。体外蛋白功能分析发现，EPAD1能够结合多种磷脂分子，因此认为EPAD1和定位在膜微区的磷脂分子通过招募相关蛋白，维持初生外壁层的连续性和均质性（图1）。其他禾本科植物中EPAD1同源基因的蛋白序列和表达模式均较为保守，而且小麦中直系同源基因TaMS1突变后同样也表现出花粉外壁异常，说明EPAD1的同源基因可能在调控禾本科特异的花粉外壁模式形成过程中具有保守功能。

图1. EPAD1控制花粉外壁模式建成的示意图 (图片由Patrice A Salomé, the Plant Cell提供)

A.植物花粉外壁形成过程和已知参与初生外壁形成基因的表达特征，其中EPAD1特异地在小孢子母细胞和早期小孢子中表达，其他已报道基因在花药壁细胞层绒毡层中特异表达或是在绒毡层和小孢子中同时表达。B. 不同初生外壁形成相关基因的作用：水稻野生型(WT)花粉中孢粉素组装形成连续双层花粉外壁结构，水稻EPAD1突变使初生外壁变得不连续，初生柱状层分布不均最终形成分离的环状外壁结构；其他已知初生外壁相关基因突变导致初生外壁不能形成或变薄，孢粉素不能沉积到小孢子表面，在小孢子外形成无序聚集团块。

综上所述，该研究揭示了禾本科特异的EPAD1在水稻花粉外壁模式形成中的功能，为进一步研究小孢子自身在花粉外壁模式建立过程中的作用，以及物种特异性花粉外壁模式的形成机制提供了新的认识。

值得一提的是，该工作是梁婉琪教授团队今年在Nature Plants （点击查看：上海交通大学梁婉琪研究组发现水稻花粉萌发孔发育新机制）和aBiotech （点击查看：上海交通大学梁婉琪课题组在拟南芥花粉初生外壁发育调控机理研究中取得新进展）期刊上发表花粉表面模式形成机制相关研究论文后，发表的又一项重要研究成果。

上海交通大学博士生李焕军和博士后Yu-Jin Kim博士为共同第一作者，梁婉琪研究员为通讯作者。该课题得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学JiRLMDS联合研究基金、ARC未来奖学金和探索项目等资助。