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2021年3月18日，Plant Communications在线发表了美国加州大学伯克利分校栾升教授和西北大学付爱根教授团队共同完成的题为“A Golgi-Localized Manganese Transporter Functions in Pollen Tube Tip Growth to Control Male Fertility in Arabidopsis”的研究论文，该研究鉴定发现高尔基体定位的锰转运蛋白PML3对于花粉管细胞壁中果胶的沉积至关重要，进而影响花粉管顶端生长和雄性可育性。
锰（Mn）是植物细胞各个区室内多种酶的必需辅助因子，它在各个细胞器之间的分配在Mn稳态以及正常代谢过程维持中起着核心作用。Mn转运蛋白是调控胞内Mn水平的关键，至今已在植物中鉴定出多个负责Mn吸收和分布的转运蛋白。叶绿体Mn转运蛋白Chloroplast Manganese Transporter 1（CMT1）和photosynthesis-affected mutant 71（PAM71）依次介导叶绿体和类囊体对Mn的摄取，属于进化上保守的UPF0016家族成员。拟南芥中的UPF0016家族包含5个成员，其中PML3与人体和酵母中的成员同源关系最近。本研究，为探讨拟南芥PML3介导转运的细胞机制，首先对其亚细胞定位及表达模式进行分析显示，PML3定位于顺式高尔基体，主要在根尖、幼叶和花粉管等快速生长的组织表达。表型分析发现，pml3突变体幼苗在正常培养条件下与对照相比无明显差异，而在Mn缺乏情况下，pml3幼苗叶片发生卷曲，呈现褐色。检测结果显示，pml3植株在Mn缺乏时花青素积累增加而叶绿素含量降低，鲜重和根长无影响。此外，Mn供应并不能恢复pml3表型，但PML3过表达载体的转入可使其生长恢复至WT相当水平（图1）。以上表明，PML3在叶片早期生长和发育期间发挥功能。在生殖生长阶段，作者发现pml3突变体角果明显短于WT，导致种子产量降低。通过WT与pml3正反交来检验PML3突变是否影响雄性或雌性配子体发育，结果发现pml3被用作花粉供体时，长出的角果明显较短，结实率降低。表明PML3影响雄性配子体发育（图2）。对体内花粉萌发效率和花粉管生长进行观察发现，pml3花粉萌发率显著降低，大部分花粉管在萌发后立即破裂，且表现出分支和膨胀增大等异常形态变化。延时及体内授粉观察显示，pml3花粉管伸长明显变慢（图3）。表明pml3突变体结实率的降低是由花粉管生长缺陷导致的。花粉管的快速生长需要果胶和半纤维素等细胞壁成分的高效合成。使用钌红对花粉管中的果胶进行染色观察，发现WT花粉管顶端区域的果胶可被染料强烈标记以指示顶端的快速生长，而在pml3花粉管顶端区域的染色明显减弱，表明在伸长花粉管中果胶含量降低。半乳糖醛酸聚糖（HGs）是花粉管中最丰富的果胶聚合物，HGS酯化程度的梯度分布是顶端快速生长所必需的。免疫染色观察显示，pml3突变体中，JIM7抗体标记的酯化HG信号与WT无差异，而JIM5抗体标记的去酯化信号在花粉管顶端区域更加强烈（图4）。以上结果表明，pml3花粉管缺陷可能是由细胞壁成分的改变导致，尤其是顶端区域去酯化果胶的过渡沉积，阻碍了花粉管正常的顶端生长。图4. pml3突变体花粉管内的细胞壁成分发生改变综上，本研究证实了UPF0016家族成员PML3作为顺式高尔基体定位的Mn转运蛋白，能够维持幼叶和花粉管中快速生长细胞的正常细胞壁合成。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346221000560![]()