Developmental Cell | 杨贞标课题组揭示维持花粉管生长过程中的细胞完整性新机制

撰文 | HY

首先，作者为了解花粉管生长与雌性组织相互作用的分子基础，通过对花粉管中表达的受体激酶突变体进行筛选发现，在花粉和伸长的花粉管中特异表达的Buddha’s Paper Seal 1（BUPS1）导致雄性完全不育但雌性传播正常。利用人工microRNA（amiR）靶向BUPS1获得纯合amiRBUPS1-1，经GUS染色观察，amiRBUPS1-1花粉管顶端破裂导致其生长停留在传输组织上部（图1）。此外，通过解剖分析花粉管破裂和体内花粉管的生长停滞表明，雄性和雌性细胞之间的相互作用对于维持BUPS1缺陷花粉管的细胞壁完整性至关重要。

BUPS的命名源于《西游记》中的典故，即佛祖所写的金字咒文压贴（Buddha’s Paper Seal，BUPS）将大闹天宫的孙悟空压在五行山下。

为检测BUPS1是否自花柱萌生过程中参与感应和响应机械变化，利用TipChip微流通道模拟花粉管在雌蕊中的生长路径，证实了花粉管在穿过并从微通道狭窄结构中出现时会遭受机械压力。与表型相一致的是，amiRBUPS1-1花粉管的破裂频率更高。表明在花粉管离开紧凑型花柱环境进入开放传传输组织过程，BUPS1通过参与感知及响应施加在花粉管质膜/细胞壁上张力的急剧变化来维持花粉管细胞壁的完整性。

为确认BUPS1在花粉管穿透生长过程中调节细胞壁强度的作用，在微通道测定中利用PI染色分析果胶修饰状态的动力学变化，PI优先对花粉管和根毛中更坚硬的脱甲基酯化果胶进行染色。在花粉管穿透生长进入狭窄缝隙期间，PI强度在对照花粉管的顶端区域降低，并在离开花柱狭窄缝隙后升高，表明细胞壁刚性增强以维持细胞壁的完整性。相反，amiRBUPS1-1花粉管中未检测到这种增强的PI强度（图2）。基于这些结果说明，BUPS1参与监测和应对急剧的机械压力，以调节花粉管在雌蕊体内穿透性生长过程中的细胞壁刚度，以维持细胞壁完整性。

据报道，ROP1能够调节顶端定位的胞吐作用，进而调节花粉管壁力学。利用TipChip微通道测定ROP1信号的机械激活，结果发现对照花粉管顶端ROP活性在进入狭窄缝隙时下降，但从缝隙中出来后立即增加。与对照组不同，在进入狭窄间隙后，amiRBUPS1-1花粉管中未检测到明显的ROP活性降低，也未观察到随后ROP1活性的增强（图3），结果导致amiRBUPS1-1花粉管破裂。

为研究体内BUPS1-ROP1信号转导应对机械压力的功能，遗传实验发现，ROP1的过表达并不能挽救bups1-6中的上述缺陷，表明，BUPS1直接作用于ROP1的上游，花粉管中花柱到传输组织过渡期间的快速机械响应需要BUPS1对ROP1活性的直接激活，而不是增加其基因表达水平。

分泌型RALF肽是细胞壁完整性功能所必需的，已知两个功能冗余的RALF（4和19）与BUPS1互作，对于维持花粉管中细胞壁的完整性至关重要。与amiRBUPS1-1花粉管类似，在野生型成熟雌蕊中amiRALF4/19-1花粉管的体内生长也被停滞在传播道顶部。进一步鉴定发现，RALF4/19可以在BUPS1依赖性机械信号传导途径中发挥作用，以调节向传播道过渡的花粉管生长。

经观察发现，RALF4作为BUPS1配体，被分泌到质外体并锚定在溶浆花粉管的细胞壁中。由于机械压力会激活BUPS1-ROP1信号以增强顶端胞吐作用，因此接着对压力急剧变化是否促进RALF4的分泌进行了探究。结果发现，在野生型花粉管离开微通道的狭窄缝隙后，RALF4的分泌增加，表明机械应力促进了RALF4分泌。但在bups1-6花粉管中未检测到RALF4分泌的增加（图4），说明BUPS1促进RALF4的分泌，以放大BUPS1-RALF机械信号级联，从而在花粉管生长过程中对急性机械应力产生强大的响应。

该项研究发现并阐明了花粉管穿透生长的机械调控分子机制。在此过程中，BUPS1通过调节ROP1 GTPase信号传导和细胞壁硬度来调控穿透生长所需应力与维持细胞完整性之间的平衡。BUPS1与RALF4/19肽基配体互用，该配体由急剧机械压力诱导的分泌是BUPS1依赖性的。BUPS1跨膜受体参与感知和响应拉伸应力的急剧增加，并将机械信号传递给ROP1，导致细胞壁强度迅速增加，从而避免了花粉管生长过渡过程中细胞的破裂。