我國科學家揭示被子植物防止多精受精分子機制

本報北京1月24日電（記者晉浩天）北京大學生命科學學院瞿禮嘉教授團隊揭示了模式植物擬南芥通過小肽信號及其受體介導的信號通路防止多精受精的分子機制，即揭示了為什么每個胚珠只有一根花粉管進入并受精的原因。該成果近日以《擬南芥中快速堿化因子RALF小肽介導的信號途徑控制阻止多花粉管穿出現象》為題在《科學》在線發表。

瞿禮嘉介紹，在動物受精過程中，常常會遇到多個精子同時游到卵子附近的情形，如果發生多個精子與卵子融合（即“多精受精”），則會引起胚胎細胞的基因組紊亂，導致胚胎發育終止。因此，動物中有非常嚴格的控制機制防止“多精受精”。然而，被子植物生殖過程與動物有很大區別。不同于動物的精子，被子植物的精細胞沒有鞭毛，因此不能自主游動。精細胞只能像出租車的“乘客”一樣被裝在作為“司機”的花粉管細胞中，隨著花粉管在花柱道中生長，并在胚珠吸引信號的作用下穿出花柱道隔膜、生長進入胚珠中爆炸釋放出精細胞。

但是，在雌蕊中有大量的花粉管在花柱道中生長，因此，被子植物中防止“多精受精”的控制機制就很大程度上轉變成限制多根花粉管從隔膜穿出靶向同一個胚珠。更為復雜的是，阻止“多根花粉管”靶向胚珠的控制機制還涉及另外一個非常重要的生物學現象——“受精補償”，即如果進入胚珠中的花粉管釋放的精細胞不能正常受精時，就會有第二根花粉管穿出隔膜被吸引進入胚珠。“受精補償”的存在增加了一次受精的機會，是植物保證生殖成功的重要機制。雖然阻止“多根花粉管”靶向胚珠和受精補償的現象已經發現多年，但一直不清楚背后的分子控制機制。

瞿禮嘉團隊通過實驗首次闡明，在花柱道隔膜處防止多花粉管穿出屏障的建立有賴于雌（受體）-雄（小肽信號）雙方的相互作用。他們發現花粉管是溝通胚珠中受精狀態和花柱道隔膜處屏障開/關的一個橋梁。當花粉管爆裂釋放精細胞進行受精時，破裂花粉管表面的RALF小肽急劇減少，從而解除花柱道隔膜處的“屏障”，以便讓第二根花粉管在需要“受精補償”的時候穿出花柱道靶向胚珠進行第二次受精。

瞿禮嘉指出，在花柱道隔膜處建立防止多花粉管穿出的屏障，除了防止“多精受精”以外，還在植物演化上具有重要意義。瞿禮嘉教授實驗室前期研究論文表明，擬南芥胚珠分泌的物種特異性花粉管吸引信號AtLURE1s，吸引自身的花粉管比近緣物種的花粉管優先穿出花柱道靶向胚珠進行受精，實現“同種花粉優先”，促進近緣物種間的生殖隔離。而只允許一根花粉管穿出的“屏障”的建立是這種實現“同種花粉優先”、促進近緣物種間的生殖隔離的先決條件，因為該屏障確保了當第一根花粉管穿出后，沒有其他花粉管穿出隔膜實現“彎道超車”的可能，是確定第一根穿出的花粉管優先受精優勢的基礎。