转录组数据支持的花粉管顶端生长机制深入解析

Tip growing pollen tubes can grow very fast and respond to environmental cues. It provides an excellent model system for studying cell growth mechanism and intercellular signaling. Our previous work showed that the tomato pollen receptor kinase complex regulates pollen tube growth. Recently, we demonstrated that the tomato pistil factor STIG1 promotes in vivo pollen tube growth by binding to phosphatidylinositol 3-Phosphate and the extracellular domain of the pollen receptor kinase LePRK2, and that the pollen receptor kinase LePRK1 rewires pollen tube growth to a blebbing mode through the action of a RopGEF KPP and an actin bundler PLIM2a. In this application, we propose to profile tomato pollen tube by RNA seq to facilitate further understanding the mechanisms of pollen receptor kinase complex mediated pollen tube growth. We will dissect the connections between pollen receptor kinase complex and phosphatidylinositol signaling pathway and membrane trafficking, to elucidate how the connection promote pollen tube growth; further understand the mechanisms of pollen receptor kinase complex dynamic regulates actin cytoskeleton organization, to identify functional modules that supports the outgrowth of leading edge, and to move towards a more comprehensive undeerstanding of cell tip growth mechanisms.

花粉管的顶端生长速度快而且可灵活响应环境信号，为研究细胞生长机制和胞间信号转导提供了一个极佳的模式系统。本研究组以往的研究显示番茄花粉受体激酶复合物调控花粉管生长，最近研究结果显示番茄雌蕊因子STIG1通过结合受体激酶LePRK2的胞外域和磷脂酰肌醇磷酸，提升胞内氧化还原水平，促进花粉管生长，而受体激酶LePRK1则通过微丝成束因子改变花粉管生长模式。以此为基础本项目拟通过番茄花粉管转录组和蛋白质谱分析拓展花粉受体激酶信号复合物调控网络，解析花粉受体激酶信号复合物与磷脂酰肌醇途径及膜泡运输的关系，揭示LePRK2与磷脂酰肌醇联结如何促进花粉管生长加快的机制；进一步解析花粉受体激酶信号复合物与多种微丝结合蛋白互作从而影响花粉管内微丝细胞骨架组织的具体机制，鉴定在花粉管顶端调控微丝细胞骨架动态支持细胞顶端前沿生长的功能模块，推进对细胞顶端生长机制的全面理解。

本项目题为“转录组数据支持的花粉管顶端生长机制深入解析”，以真双子叶菊类植物番茄的二核花粉负责运送精细胞的营养细胞花粉管为研究对象，作为有壁细胞快速顶端生长机制研究的模式系统，主要研究番茄花粉受体激酶信号复合物介导的花粉管细胞快速灵活生长的分子机制，项目结果增进了对番茄花粉受体激酶信号复合物成员的了解，推进了对信号复合物成员调控细胞骨架组装和膜泡运输、胞吞胞吐等细胞事件的机制解析。细胞生长是生命活动的基本形式之一，细胞生长机制的解析将揭示生命活动自然本质奥秘，是生命科学基础前沿最具吸引力的领域之一。目前知识表明细胞生长需要多重细胞信号系统精准整合胞内的细胞骨架组装和膜泡运输、胞吞胞吐等细胞事件，但其作用机制、联结方式和时空整合逻辑仍然很不清楚。而花粉管细胞顶端生长具有速度快和对环境反应快的特点，将细胞信号系统与胞内细胞事件的深层次联结作用动态机制很好地展示出来，是研究细胞生长与调控机制的最佳模型之一。本课题组以往的研究基础表明番茄花粉受体激酶LePRK1控制花粉管细胞顶端生长由管状快速模式转变为出泡式慢速模式，而另一个同源的受体激酶LePRK2则胞外识别生长促进因子STIG1等转导传递到胞内包括小G蛋白在内的信号途径维持管状快速的顶端生长模式并提升花粉管生长速度。本项目揭示番茄花粉管的转录组，深入研究番茄花粉受体激酶信号复合物互作的成员小G蛋白鸟苷转移因子KPP同源蛋白、微丝成核因子、微丝成束蛋白、微丝交联因子、膜泡运输相关蛋白等，阐明了花粉受体激酶LePRK1、LePRK2通过小G蛋白鸟苷转移因子KPP、II型小G蛋白ROP、微丝成束蛋白PLIM2a等时空特异性调节细胞骨架组装及细胞骨架与细胞膜的动态联结达到生长模式调控的机制，加深了花粉管细胞快速灵活生长的分子机制的理解。