ECP1在植物卵细胞成熟与功能特化中的作用

The molecular mechanism regulating plant egg cell maturation and functional specialization is one of the core questions in the field of sexual plant reproduction and has been paid great attention by researchers. Regrettably, restricted by difficult technical bottlenecks, relevant molecular mechanism still remains a mystery. In our previous work, GAMETE CELL DEFECTIVE 1 (GCD1), the first plant egg cell maturation factor was found. GCD1 dysfunction resulted in the formation of an immature egg cell, which could be normally fertilized but consequent zygote could not be triggered for embryogenesis. Based on the comparative transcriptome analysis between mature and immature egg cells, we obtained an egg cell specific protein EGG CELL PORTEIN 1 (ECP1), which only expressed from the early egg cell to the early zygote stage. Bioinformatics analysis indicated that ECP1 could modify proteins, thus we suspect that ECP1 participates in the generation of certain maternal signal during the egg cell maturation process, which affects the functional specialization of egg cell and following fertilization and embryogenesis. Via the regulatory pathway analysis of ECP1 we hope to deepen our understanding of the molecular mechanism triggering egg cell maturation and functional specialization in angiosperm.

雌配子成熟与功能特化的调控机理是植物有性生殖领域的核心研究问题之一，长期为学者所关注。然因其众所周知的研究难度，有关机理至今仍鲜为人知。本课题组先前在拟南芥中发现了首个植物卵细胞成熟因子GCD1（GAMETE CELL DEFECTIVE 1），其功能缺陷导致卵细胞不能发育成熟，该卵细胞虽可受精，但所产生的合子未能启动胚胎发生。通过分析比较成熟与未成熟卵细胞的转录组，我们获得一个卵细胞特异蛋白ECP1（EGG CELL PORTEIN 1），其表达始于刚完成细胞化的早期卵细胞，并维持至早期合子阶段。生物信息学分析显示ECP1具有修饰蛋白的功能，因此我们推测该因子可能参与了卵细胞成熟过程中某种关键母本信号的产生，进而影响卵细胞功能特化及随后的受精与胚胎发生启动。希望基于ECP1的研究，能深化我们对卵细胞成熟与功能特化机制的认识，在该领域取得新的突破。

被子植物双受精是其世代交替的关键事件之一。雌配子(卵细胞和中央细胞)的成熟发育则是完成双受精的必要前提。中央细胞发育的调控机理已有较多研究，而关于卵细胞成熟机制的探索仍近乎空白。本课题组先前在拟南芥中发现了首个植物卵细胞成熟因子Gamete Cell Defective 1（GCD1），其功能缺陷导致卵细胞不能发育成熟，该卵细胞虽可受精，但所产生的合子未能启动胚胎发生。我们以GCD1为切入点，通过免疫共沉淀和质谱分析等实验发现了一个GCD1互作蛋白，并将其命名为Female Gamete Maturation 1（FGM1）。. FGM1是一个生殖系统优势表达基因，其功能缺失影响雌配子正常成熟发育，产生较小的卵细胞，同时导致极核不融合。与gcd1表型相似，fgm1突变体中不成熟的卵细胞在受精后于合子或二胞原胚阶段停止发育，这表明FGM1为卵细胞成熟所必需。进一步，我们通过酵母双杂交实验分析出FGM1蛋白结构中与GCD1结合的关键区域，并发现缺失该区域的截短FGM1蛋白无法恢复fgm1突变体表型，证实了FGM1与GCD1的相互作用对其参与卵细胞成熟调控至关重要。FGM1编码一个定位于线粒体的蛋白，其功能紊乱影响线粒体嵴的正常形成。实时荧光定量PCR分析发现FGM1不参与线粒体编码基因的转录以及内含子剪接。RNA编辑位点分析表明FGM1亦不影响线粒体RNA编辑。随后RNA免疫沉淀实验（RIP）和凝胶阻滞实验表明FGM1可与线粒体26S核糖体RNA（RRN26）的5’端相结合，从而调控翻译过程。为了更全面地揭示FGM1调控雌配子成熟的机制，我们分析了fgm1突变体和野生型拟南芥的花序转录组，发现参与细胞生长和形态建成的相关基因在fgm1中普遍下调。因此，我们认为FGM1通过控制细胞生长和形态建成等相关基因的表达从而促进雌配子成熟。. 本项目的研究工作证实FGM1是植物卵细胞成熟因子GCD1的互作蛋白，明确了FGM1亦是调控雌配子成熟的关键因子，进而完善了GCD1-FGM1介导的雌配子成熟发育调控网络，深化了我们对于卵细胞成熟与功能特化机制的认识。