宁夏可育与不育枸杞绒毡层PCD过程蛋白质表达谱与细胞变化模式

Anther tapetum is indispensable vegetative cell to regulating the pollen development, not only through the PCD, assist in complete its differentiation of main stage in pollen mature on PCD process, and the tapetum PCD often is one of the important factors that lead to plant male sterility. Therefore, the tapetum has been became the focus of attention. So far, however, there is no biological explanation about the process of tapetum PCD.This project studies the protein expression profile and cell energy changes, calcium signal changes and ultrastructure changes law of the process of tapetum PCD on Lycium barbarum L.,using fertile and sterile lines tapetum cells as test materials and the technology of proteomics and cell biology.we will build the protein expression profile and cell change pattens in the process of tapetum PCD, and screening sign protein, ultrastructure, distribution features of calcium ion and ATP enzyme in the PCD different stages, etc. The results not only illustrates the biological characteristics of tapetum PCD process, provides the judgment indicator of tapetum PCD differentiation stage in Lycium barbarum L., and provides the scientific basis for interpretation pollen abortion to male sterility medlar,and provides theoretical basis for other plants tapetum and male sterility mechanism study.It has important theory meaning and promotion value.

花药绒毡层是调控花粉发育的不可或缺的营养细胞，不但经历了PCD，在PCD过程中协助花粉完成了其关键阶段的分化，而且绒毡层ＰＣＤ还常常是导致植物雄性不育的重要因素。因此，绒毡层一直以来成为了人们关注的焦点。然而到目前为止，尚未有关于绒毡层PCD过程的生物学阐释。本项目以宁夏枸杞可育系与不育系绒毡层细胞为试材，运用蛋白质组学技术与细胞生物学技术，研究枸杞绒毡层PCD过程蛋白质表达谱与细胞能量代谢、钙信号表达及超微结构变化规律，构建绒毡层PCD过程蛋白质表达谱与细胞变化模式，并筛选出PCD不同阶段的标志蛋白、标志性超微结构特征、ATP酶分布特征以及钙离子分布特征等。研究结果不仅阐明了枸杞绒毡层ＰＣＤ过程的生物学特点，提供了判断绒毡层ＰＣＤ分化阶段的指标，而且为雄性不育枸杞花粉败育阐释提供了科学的依据，也为其他植物绒毡层研究及雄性不育机理研究提供了理论基础，具有重要的理论意义与推广价值。

绒毡层既是被子植物花粉发育过程的营养供给者，也是花粉发育的精准调控者，且与花粉育性息息相关。在花粉发育的各个不同关键阶段，绒毡层都为其精准地提供了各个阶段所需的不同营养物质，为花粉正常、健康的发育成熟提供了营养保证。然而，在抚育花粉发育的同时，绒毡层还经历程序性死亡（PCD）过程，并且其在PCD过程中仍以精确的时间和空间顺序调控着花粉发育。课题组早期研究结果表明，宁夏枸杞“育新1号”花粉败育是因绒毡层胼胝质酶分泌异常导致。为了阐释不育系绒毡层胼胝质酶异常问题，本项目开展了可育和不育系枸杞绒毡层PCD机理研究，以期阐明枸杞不育系绒毡层胼胝质酶合成障碍机制。项目运用蛋白质组学、蛋白磷酸化修饰组学技术结合电镜技术，系统地研究了可育系与不育系枸杞绒毡层PCD过程机制。结果表明，枸杞可育与不育系绒毡层PCD因内质网未折叠与错误折叠蛋白刺激应答（属PCD内质网途径）诱导，起始于花粉母细胞初期，最初发生于顶端药隔绒毡层细胞。PCD启动后以细胞间信号传递的方式，逐渐蔓延至所有绒毡层细胞。绒毡层细胞PCD经历了2种途径，即药隔绒毡层PCD途径与药壁绒毡层PCD途径。药隔绒毡层PCD途径表现的较为剧烈，细胞致死作用更强。不育系多为药隔绒毡层PCD途径，可育系二者兼具。此外，二者的绒毡层PCD过程都经历了强烈的“代谢重编程”，以及活跃的戊糖磷酸途径、脂肪酸从头合成等多种脂质代谢途径。40多种信号通路参与了PCD过程的调控，自噬作为细胞营养与能量匮乏的补充活跃参与了绒毡层PCD。与可育系比较，不育系上述各种代谢程度大大降低，胼胝质酶合成时机严重滞后。不育系花粉败育是因其绒毡层代谢能力低下、营养供给匮乏、胼胝质酶合成滞后所致。枸杞绒毡层PCD不同关键阶段的细胞与蛋白代谢机理具有明显的阶段特异性特征，鉴定到了活跃于不同阶段的几十种不同PCD蛋白。绒毡层PCD与动物PCD有显著差异。本研究结果首次阐明了植物绒毡层PCD机理，揭示了枸杞不育系花粉败育的分子机制，为植物育性研究提供了理论基础。