Nature解開植物成功受精之謎

　　最近，日本名古屋大學JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics項目和轉化生物分子研究所（ITbM）的Hidenori Takeuchi博士和Tetsuya Higashiyama教授，成功地發現了開花植物花粉管（雄性）中的一個關鍵激酶受體，可讓花粉管準確到達卵細胞（雌性），以成功受精，而不會迷失方向。這項研究在線發表于2016年3月10日的《Nature》雜志。

　　花粉管生長在雌蕊里面，并向雌蕊深處的卵細胞提供它們的精子細胞，引發受精。Higashiyama研究組先前已發現一個花粉管引誘肽，稱為LURE，這是由胚珠產生，可引導花粉管到達卵細胞。研究表明，LURE的結構在各種植物之間有所差異，是每種植物的花粉管所特有的，即，每個LURE肽優先吸引相同植物種類的花粉管。然而，花粉管如何檢測到LURE的精確機制，一直都不明確。

　　在這項研究中，Takeuchi和Higashiyama發現了一個受體，是模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）花粉管尖端檢測到LURE所必須的。他們還發現，這種受體可與多種具有相似結構的受體共同起作用，以精確地檢測從雌蕊發送出來的信號。通過接受雌蕊發出的各種信號，該激酶受體可使花粉管能夠生長到雌蕊內的一個位置，在那里它們可以檢測到LURE。隨后，花粉管被引導到達卵細胞，并傳遞它們的精子細胞用于受精。

　　博士后研究員Takeuchi目前就職于奧地利孟德爾學院，他指出：“我們相信，這項研究有利于我們了解植物物種之間的受精機制。”ERATO項目主任、名古屋大學的Higashiyama教授表示：“進一步詳細了解該受體的作用之后，我們希望這將促進開發新的技術，改變受精的成功率，并提高種子的生產效率，以及開發某些方法，使不同植物物種之間能夠受精。”

　　我們每天吃的大米和大豆，是植物的種子，許多蔬菜都是從種子發育而來。對于產生種子的植物來說，植物的雄性和雌性生殖器官相遇并受精，是至關重要的。開花植物的雄性器官是由花粉及內部的精子細胞組成。花粉發育成花粉管，這是一個具有管狀結構的單細胞。花粉管的尖端（花藥）延伸并成長為雌蕊。花粉管最終到達雌蕊深處的卵細胞，并將精子細胞傳遞給卵細胞，以引起受精。

　　花粉管能夠精確地找到卵細胞，而不會迷失方向，這可能是支持我們食物供應的關鍵因素。在植物中，雄性和雌性器官的相遇，是一個非常神秘和重要的事件，但其確切機制仍然充滿神秘。

　　在2009年，Higashiyama和他的同事們發現，位于卵細胞旁邊的一個助細胞，可產生稱為LURE的分子，吸引蝴蝶草屬植物的花粉管。在2012年，他們也在擬南芥中發現了類似的LURE肽。

　　Higashiyama描述說：“我們發現，根據植物物種的不同，LURE的結構有所不同，一種特定植物的LURE可吸引相同物種的花粉管，它維持了相同物種之間的受精。因此，在植物中，LURE已被確定為雌性器官產生、用以吸引雄性的器官的關鍵因素。”延伸閱讀：Cell：不同尋常的細胞融合。

　　然而，花粉管如何能檢測到LURE？花粉管如何生長到雌蕊內一個位置——在那里它們可以檢測到LURE？其背后的確切機制仍不明確，花粉管生長和反應背后的因素也是未知的。Higashiyama的研究團隊決定調查這些問題，他們試圖揭示花粉管中使它能夠檢測到LURE的關鍵因素。

　　Takeuchi說：“利用模式植物擬南芥，我們假設，特異性定位在花粉管膜表面的23個激酶受體，可能是檢測LURE所必須的。我通過抑制每個激酶受體的功能，進行了花粉管生物測定，發現PRK6受體對于LURE檢測，是必不可少的。”

　　對于PRK6來說，實際上有多個受體家族，有相同的氨基酸序列。在抑制其他PRK受體的功能后，Takeuchi和Higashiyama發現，不同PRK受體組合的缺失，可導致花粉管對LURE的反應減少，或阻礙花粉管的生長。這與以前的報道一致，花粉管的生長是由PRK受體響應來自雌蕊的信號而被誘導的。因此，該研究小組發現，PRK6及其他PRK受體共同起作用，可探測LURE以及使花粉管生長到雌蕊內的一個位置，在那里它可以檢測到LURE。

　　Takeuchi接下來探究PRK6如何在花粉管的細胞內發出信號，以了解它如何響應LURE。Takeuchi解釋說：“當花粉管沿直線方向生長時，PRK6是平均分布在細胞膜上的。我用熒光標記的PRK6，在將LURE添加到花粉管之后，發現PRK6前往面向LURE的花粉管頂端的細胞膜區域。然后花粉管改變方向，開始朝著LURE生長。”從這些結果，研究小組發現，PRK6在LURE方向收集對花粉管生長所必需的因素。

　　Higashiyama說：“雖然花粉管的吸引力被認為是優先發生在相同的物種之間，但是，我們想知道，是否我們能讓其發生在不同的物種之間。”用來自擬南芥的LURE處理一種薺菜植物（Capsella rubella）的花粉管——都屬于十字花科，研究人員沒有觀察到對LURE的反應。

　　Takeuchi說：“有趣的是，當我們將擬南芥的PRK6基因插入薺菜的花粉管時，它對擬南芥的LURE做出了響應。這一數據表明，在花粉管中的PRK6受體，無疑是檢測同一物種LURE的關鍵因素。我們也很興奮地看到，花粉管吸引發生在不同物種的花粉管和LURE之間。”

　　我們知道“雌蕊通過與雄蕊的受精產生種子”已有2000年的歷史，并且這是農業生產中的一個極其重要的機制。此外，花粉管被吸引到雌蕊器官，這是在100年前發現的。由于引誘分子LURE的發現，科學家一直都在尋找響應該蛋白的機制。這項研究表明，花粉管中的PRK6受體，是LURE檢測和生長的主要因素。

　　Takeuchi和Higashiyama說：“通過對PRK受體家族的進一步調查，我們希望揭開通過花粉管生長和LURE檢測而受精的完整機制。”

　　Higashiyama表示：“我們在這項研究中還發現，一個PRK6受體基因的插入，可對不同物種的花粉管產生吸引力。這可能促使科學家開發新的方法，使不同物種之間能夠受精。通過探索靶定PRK受體的分子，可能會帶領科學家研發某種農藥，通過提高受精率而提高種子產量。我們還設想，這項研究將引發新的研究，使不同物種之間能夠受精，以產生新的和有用的植物物種，有助于促進可持續的食物供應。”