MDP调控花粉管与雌蕊识别过程的分子机理研究

Double fertilization of flowering plants has been a fascinating research area for over a century, a process in which two immotile sperm cells carried within a pollen tube fertilize two female gametes, the egg and the central cell, to form embryo and endosperm respectively. It is a tightly controlled process involving constant and precise communications between pollen tubes and female tissues. It is well known that female tissues provide nutrients and guidance cues to support polar and directional tube growth. But little is known on sensors of pollen tubes that perceive female cues to initiate cellular activities,leading to directional growth. We show that Arabidopsis MDP (Male Determinant of Pollination) is a member of COBRA family encoding glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins (GAPs). Pollen tubes defective in MDP could not respond to female cues, leading to male gamtophytic sterility. We propose to study the molecular mechanisms underlying MDP-regulated pollen tube-pistil recognition. Furthermore, GAPs exist in large numbers in eukaroytes. Although a few GAPs were reported by mutational studies in plants, there is hardly any information regarding their processing, subcellular localization and genetic networks in which they function. Therefore, we plan to use MDP to explore these neglected but critical aspects. Knowledge gained from this study will not only provide a better understanding of signaling networks regulating pollen tube-pistil recognition but also provide a case study for a large number of functional unknown GAPs in plants.

植物的有性生殖产生种子及果实，而受精过程是完成植物有性生殖的关键。其中，花粉与雌蕊的相互识别是受精的前提和保障。被子植物的精子丧失了游动能力，需要雄配子体产生的花粉管将精细胞运送到雌蕊内的胚囊完成受精。雌蕊为花粉管的生长提供营养和吸引信号，这方面已有较多了解。然而花粉管感受并响应这些雌蕊信号进行导向性生长的分子机理还不清楚。我们近期发现拟南芥MDP定位于花粉管顶端质膜外层，其突变体表现出配子体雄性不育。我们初步的研究结果表明MDP突变破坏了花粉管感受并响应雌蕊信号而进行导向性生长的能力，暗示MDP可能作为花粉管受体直接参与识别雌蕊信号。本项目将综合使用细胞和分子生物学、正反向遗传学、药剂细胞学等方法，对MDP在花粉管与雌蕊识别过程中的作用及其调控的信号网络进行研究，阐明MDP参与感受和响应雌蕊信号的分子机理，加深对被子植物授粉识别这一重要过程的了解，为作物的遗传改造奠定理论基础。

植物的有性生殖产生种子及果实，而授粉和受精过程是完成植物有性生殖的关键。雄配子体花粉管的生长是完成被子植物授粉和受精等生殖发育过程的一个重要步骤。花粉管导管状的形态源于仅限于细胞表面一个小区域的细胞延伸，又称顶端生长。此外，在雌蕊体内生长的花粉管可以感受雌蕊所发出的信号而改变其生长轴，进行导向性生长。对于花粉管生长分子机理的深入了解不但是对植物进行遗传改造、加快分子育种、培育杂交新品种的必要条件，而且还能回答关于细胞生长以及细胞间交流的一些根本性问题。.本项目主要从两个方面解析花粉管生长的调控机理。.第一部分研究内容及结果如下：研究报道了一个在花粉管中特异性表达的糖基酯酰磷脂肌醇锚定蛋白COBL10。其在内质网合成后，通过翻译后修饰进行正确加工。继而通过高尔基的分泌途径到达质膜外层。其在质膜上的定位是特异性的，局限在生长的顶端。COBL10功能丧失不影响花粉管的极性生长，但显著破坏了花粉管在体内感受并响应雌蕊导向信号的能力，造成雄性不育。进一步发现，COBL10功能的丧失造成了花粉管顶端细胞壁构建的异常，暗示其调控动态的细胞壁构建。这部分研究工作暗示COBL10是一个花粉管感受雌蕊信号及营养的关键组分。研究成果在2013年3月发表在国际植物领域著名期刊The Plant Journal上。.第二部分研究内容及结果如下：研究报道了小G蛋白ROP的调节因子鸟苷酸解离抑制因子GDIs在调控花粉管极性与导向性生长中的作用。ROP(Rho-related GTPases from plants)是高等植物中特有的一类小G蛋白, Rop 与GTP结合呈“活化状态”，当GTP去磷酸化成为GDP时，Rop失去GTPase活性。这一可逆磷酸化过程受鸟苷酸交换因子(Guanine nucleotide exchange factor, GEF)、鸟苷酸解离抑制因子(Guanine nucleotide dissociation inhibitor, GDI)和GTPase活化蛋白(GTPase activating protein, GAP)的调节,所以ROP被称为"分子开关"。ROP是调控花粉管生长的关键因子。然而关于GDI如何调控ROP在花粉管中的动态定位及活性尚未有结论。我们的研究结果表明GDIs通过调节活性ROP在生长中的花粉管顶端的动态定位，从而调控微丝的排列方式，细胞的内吞