被子植物胚囊信号调控与花粉管响应的分子机制

During transition from ocean to land, plants evolved special structures, physiology, and reproductive mechanisms to meet the challenges of the terrestrial environment. To reproduce without water, siphonogamy was evolved in angiosperms in which a tube-like structure (pollen tube) was developed by the male gametophyte (pollen) to deliver the immotile sperm to female gametophyte (embryo sac). Meanwhile, embryo sac evolved a seven-celled structure to accomplish the tasks such as pollen tube attraction, recognition, sperm release and fertilization. A typical embryo sac contains an egg, two synergids, three antipodal cells, and a diploid central cell. The pollen tube has to navigate through the maternal tissues and yet targets precisely the embryo sac; this pollen tube guidance process involves both the male and the female gametophytes. Previously, we identified a central cell-specific gene CCG which is required for the female to attract pollen tube, and a pollen-specific gene POD1 that is required for pollen tube recognition of the female cues. Here, we propose to address the two basic questions in siphonogamy by exploring the two genes in combination with diverse molecular technologies: 1) how CCG communicates with synergids to control its production of the female attracting signal; 2) how pollen tube recognizes the attracting signals by identifying putative receptors.

从水生到陆生的进化过程中，被子植物产生了适应新环境的结构、生理变化、和繁殖方式。其中，精子失去了自主运动的能力，进化出了管粉受精机制。在被子植物中，雄配子体（花粉）通常是由两个精细胞和一个营养细胞组成的三细胞结构。营养细胞萌发形成一个单细胞的管状结构，负责把两个不能运动的精子输送到雌配子体（胚囊）完成受精，即管粉受精现象。胚囊则进化出了能够吸引和识别花粉管，以及接受两个精子的独特的七细胞结构，包含一个卵细胞、两个助细胞、三个反足细胞和一个二倍体的中央细胞。管粉受精一个核心的问题是：花粉管如何发现和定位胚囊的位置并把精细胞及时地运送到胚囊？胚囊细胞之间是如何分工协调来完成管粉受精的？本课题拟以CCG和POD1基因为切入点，通过分子遗传学、细胞生物学和蛋白组学等手段，研究中央细胞调控助细胞产生吸引花粉管信号的分子机制，并分离克隆花粉管识别胚囊信号的受体，了解花粉管对胚囊信号响应的分子机制。

植物在从水生到陆生的进化过程中，产生了一些新的结构、生理变化、和繁殖方式来适应新环境。其中，被子植物的精子失去了自主运动的能力，进化出了管粉受精机制。雄配子体（花粉）通常是由两个精细胞和一个营养细胞组成。营养细胞萌发形成一个单细胞的管状结构，负责将精子输送到雌配子体（胚囊）完成受精。胚囊则进化出了独特的七细胞结构，包含一个卵细胞、两个助细胞、三个反足细胞和一个二倍体的中央细胞，来吸引和识别花粉管，并接受两个精子，本课题研究内容主要以CCG和POD1基因为切入点，通过分子遗传学、细胞生物学和蛋白组学等手段，研究中央细胞调控助细胞产生吸引花粉管信号的分子机制，并分离克隆花粉管识别胚囊信号的受体，了解花粉管对胚囊信号响应的分子机制。通过五年的研究，我们在以下几个方面取得重要进展：. 一、花粉管识别和响应雌性信号的分子机理研究，我们发现了花粉管表达的 LRR-RLK 类 MDIS1-MIK1 复合体，作为受体激酶与胚珠吸引信号 LURE1 相互作用，控制花粉管导向过程。此外，我们鉴定了在花粉和花粉管中表达的MAS1和MAS2，它们也同样控制花粉管导向过程。. 二、胚囊发育和功能的分子调控机理研究。发现CCG通过与CBP1及Mediator互作，调控中央细胞及助细胞特异表达的AGLs、MYB98、CRPs，LUREs及ECA1s等下游基因表达。从而调控花粉管导向。此外，发现CCG互作蛋白AGL80可能作为一个转录抑制因子在中央细胞起作用。. 三、花粉管中内质网结构动态调节的分子机理，鉴定了POD1 互作蛋白ECO家族能够调控内质网结构，ECO2能够与ER中CRT3相互作用，参与了膜蛋白分泌，调控了花粉管生长。. 四、高尔基体定位的LOT调控花粉管生长的分子机理，我们鉴定了一个高尔基体的蛋白LOT，参与调控了TGN的生物发生，同时影响内膜系统的分泌和内吞过程，从而调控了花粉管的生长。. 以上这些研究明确了雌、雄配子体的相互吸引，相互作用的分子基础、具体途径和调控方式。对有性生殖受精机制的研究开创了新的途径。对推动该领域的研究具有开创性的重要意义。