半胱氨酸蛋白酶抑制子NtCYS2调控花粉萌动的分子机理研究

Pollen germination is one of the essential processes in sexual plant reproduction, which is a prerequisite step for double fertilization. Therefore, the molecular mechanism underlying this process is one of the core questions in the field of plant developmental biology. Early researches indicated that a pollen grain germination is initiated after adhesion and hydration on a stigma. However, molecular mechanism regulating pollen germination is still largely unknown and needs to be explored. In our previous work, a mature pollen abundant cysteine protease inhibitor, NtCYS2, was identified and approved as a key regulator for pollen germination. Silencing NtCYS2 blocks pollen germination，but not affect pollen morphology and vitality. Thus, it offers a unique opportunity to investigate the regulatory mechanism of NtCYS2 in pollen germination. In this project, we will focus on the molecular pathway of NtCYS2 during pollen germination. Hope to enhance our understanding of the molecular mechanism regulating pollen germination in plants.

花粉萌动是植物有性生殖的重要过程之一，是完成双受精的前提和保障，其分子调控机制长期以来一直是植物发育生物学研究领域的热点及核心问题之一，备受研究者的关注。早期研究表明花粉在柱头上须经过粘附、水合两个过程才能启动萌发。但关于花粉启动萌发的分子调控机制如花粉是如何启动萌发的、如何通过萌发孔形成花粉管等基本生物学问题迄今仍知之甚少。在前期研究工作中我们克隆到一个半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因NtCYS2，其特异在成熟花粉中表达，基因功能分析证实其是调控花粉萌动的关键调控因子。当NtCYS2的表达水平降低时，花粉不能够正常启动萌发，但不影响花粉形态及活力。这为我们深入探讨花粉启动萌发的分子调控机理提供了难得的契机。本项目拟以NtCYS2为研究切入点，探讨NtCYS2是通过怎样的分子途径来调控花粉萌动，从而揭示花粉启动萌发的分子调控机制，以期对认识植物花粉如何启动萌发的分子调控机理有新的突破。

花粉萌发是植物有性生殖关键过程之一，是植物完成双受精的前提和保障。先前的研究表明成熟花粉落到柱头须经粘附、水合两个过程才能启动萌发。然而花粉水合活化之后经历了哪些过程花粉才能成功启动萌发目前仍不得而知。通过本项目的实施，我们发现花粉水合之后活化的半胱蛋白酶水解途径是花粉启动萌发的关键过程之一。我们在成熟花粉中克隆得到1个高表达的半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因NtCYS2，并证实它是调控花粉萌动的关键因子。NtCYS2表达水平的降低不影响花粉的形态与活力，但使得花粉萌发不能够顺利萌发。进一步的研究证实NtCYS2可以与半胱氨酸蛋白酶NtCP10相结合，通过调节蛋白酶NtCP10的活力来调控花粉是否能够成功启动萌发。与NtCYS2 RNAi表型相一致的是，NtCP10过表达同样导致花粉不能萌发。我们在本项目的研究工作中揭示了NtCYS2-NtCP10这条新的分子途径参与调控了花粉萌动这一重要过程，这将加深我们对花粉萌动分子调控机制的认识。