SNF1/AMPK/SnRK1复合体的亚基UPS调控拟南芥花粉与柱头互作的分子机理研究

The interaction between pollen grains and stigma is the first checkpoint in pollination recognition, which involved in pollen adhesions, hydration, and germination on stigma surface. In our previous study, we isolated an Arabidopsis T-DNA insertion mutant ups（ungerminated pollen on stigma）. The ups pollen has normal morphology and can germination in vitro; however, the mutant pollen grains can not germination on the surface of stigma, which indicates that there is a disorder during the interaction between the ups pollen and the stigma. UPS coding a protein is a subunit of SNF1/AMPK/SnRK1 complex involved in sugar signaling pathway. We suggest that UPS functions in the interaction between pollen and stigma during pollination by implicated in sugar signaling. In this project, we plan to: 1) study the roles of UPS in the interaction between pollen and stigma; 2) identify the subunits of UPS-involved SNF1/AMPK/SnRK1 complex; 3) analysis the roles of SNF1/AMPK/SnRK1 complex function in the interaction between pollen and stigma. We wish our results could provide new view on the functions of sugar signaling in plant pollination recognition.

花粉和柱头的相互作用是植物授粉识别过程的第一步，决定花粉在柱头上的黏附、水合和萌发过程。我们在前期研究中分离到一个拟南芥T-DNA插入突变体ups（ungerminated pollen on stigma），该突变体花粉体外萌发正常，但是不能在柱头上萌发，推测突变的花粉与柱头的识别发生障碍。UPS 编码的蛋白是SNF1/AMPK/SnRK1复合体的亚基，该复合体参与植物的糖信号转导。我们计划利用ups突变体为材料，研究SNF1/AMPK/SnRK1复合体参与调控花粉与柱头互作的分子机制，研究内容包括：1）分析UPS在调节花粉与柱头互作中的功能；2）鉴定UPS参与的SNF1/AMPK/SnRK1 复合体的组份；3）研究SNF1/AMPK/SnRK1复合体参与的糖信号在调控花粉与柱头识别过程中作用的分子机理。研究的结果将使人们对糖信号调控植物的授粉识别有新的认识。

授粉是植物进行有性生殖的关键环节，是种子和果实产生的基础。花粉和柱头细胞的识别是植物授粉识别的关键步骤。花粉在柱头上水合是花粉和柱头细胞识别、花粉萌发和花粉管生长的前提。尽管有多个研究表明来自孢子体的因子调节花粉的水合，但是对来自于配子体的信号如何控制花粉在柱头表面的水合仍了解很少。植物非酵解型蔗糖激酶复合体（Sucrose Nonfermenting Related Protein Kinase 1 complex，SnRK1 complex）是糖信号转导过程中的关键调控因子，主要参与了代谢调控、激素和发育信号转导等过程。KINβγ/UPS (在发表研究论文时，我们用KINβγ代替了UPS，因此下面均用KINβγ来表示UPS) 是植物SnRK1 complex特有的一个调节亚基。本研究以拟南芥KINβγ基因的T-DNA插入突变体为材料，分析了KINβγ调控花粉在柱头上萌发的分子机制。kinβγ突变体不能获得纯合体，但是亚历山大染色、DAPI染色和体外萌发实验表明杂合体植株的花粉在形态、活性等方面与野生型植株的花粉相比没有明显差异。人工授粉实验发现部分杂合突变体的花粉不能在野生型柱头上完成水合。电子显微镜观察发现部分突变体花粉外形有凹陷，花粉内部小泡数量增多、体积变大。突变体花粉的线粒体膜和脊结构模糊、过氧化物酶体形状出现异常；进一步分析发现突变体花粉的线粒体及过氧化物酶体的数量减少。CM-H2DCFDA染料标记活性氧，发现突变体花粉粒内部活性氧水平降低。体外施加过氧化氢可以部分补偿突变体花粉的水合能力。在花粉中过表达拟南芥过氧化氢酶基因CAT3，能降低拟南芥花粉的活性氧水平，同时抑制花粉在柱头表面的水合。由此我们推测活性氧对于花粉的水合非常重要。突变体花粉在柱头上的水合能力下降，可能是造成花粉不能在柱头上萌发的原因。综合上面的结果，我们推测，拟南芥花粉中KINβγ通过调控线粒体及过氧化物酶体的发生及分裂来调节花粉的活性氧水平，进而介导花粉在柱头上的水合和萌发。我们的研究揭示了来自雄配子体的ROS信号参与调控授粉识别过程中花粉与柱头的相互作用。