逆向思维找到突破口 上海科学家首次破解植物亲和花粉授粉机制

2021-04-09 12:54    来源:新民晚报

来源:采访对象提供

图说:华东师范大学李超课题组 采访对象供图(下同)

“遗传”,听起来是个人人都能理解的科学名词。我们常说“种瓜得瓜,种豆得豆”,就是指生物的性状能在一代代的繁衍中延续和保存下来。就像在植物中,雌性柱头只能接受同种的花粉,允许其萌发和受精。在农业研究中,需要通过杂交将不同种属植物的优良性状整合到一起,以此得到高产优质的品种。为此,科学家们必须深入了解开花植物怎样识别本物种的花粉而阻止其他物种花粉的分子机理。

北京时间今天,国际顶尖学术期刊《科学》(Science)发表了华东师范大学生命科学学院李超课题组最新成果。该研究以十字花科中的模式植物拟南芥为研究对象,揭示出花粉-柱头相互识别的分子机理,从而在植物生殖发育领域,首次破解了开花植物识别本物种花粉,而拒绝其他物种花粉的根本原因。

图说:该研究以拟南芥为研究对象,揭示花粉-柱头相互识别的分子机理

打破常规找到解密思路

花粉与柱头的识别是雌性器官和雄性器官的第一次信息交流,那么植物在进化中形成了怎样的花粉-柱头识别机制?亲和性花粉持有什么样的钥匙去打开柱头这把锁呢? 为此,研究团队建立起一整套研究花粉 -柱头相互作用的实验体系,包括精准的花粉水合观察体系 、 柱头乳突细胞活性氧观察体系,以及多种研究小肽竞争受体激酶的生化实验体系。

和国际上其他寻找柱头受体的课题组一样,研究人员最初按照常规思路推测,柱头感受花粉的受体基因突变后会造成花粉水合速率变慢的表型,但实验结果却恰恰相反。经研究发现,FER/ANJ突变体呈现出花粉水合速率反而加快的表型。

研究团队注意到,拟南芥雌蕊柱头的乳突细胞在授粉前存在活性氧的积累,而授粉引起活性氧水平下降;当对活性氧抑制剂和清除剂饲养的柱头授粉后发现,柱头活性氧水平降低促进花粉水合。来自花粉覆盖物PCP-B小肽处理野生型柱头能够引起乳突细胞活性氧水平降低,并且经PCP-Bγ处理的柱头引起花粉水合速率加快。柱头乳突细胞中FER和ANJ受体激酶突变后造成活性氧水平偏低和花粉水合加快。

图说:科研人员处理植物样本

“面对和预期相反的表型,我们打破常规,采用逆向思维,找到了最关键的解决思路。”李超说,“经过整合FER/ANJ受体激酶信号通路调控活性氧以及授粉引起柱头乳突细胞活性氧下降这两条关键线索,我们理清了花粉通过抑制柱头受体激酶信号通路而发生识别的机制。”课题组最终发现,受体激酶感知和切换不同类型的小肽配体,精准调控了柱头对花粉的识别。

年轻团队突破自我

这项研究的通讯作者李超博士2016年获华东师范大学“青年高层次人才计划(双百计划)”支持,在生命科学学院建立独立课题组,开展植物受体激酶调控生殖发育的分子机理相关研究。这支平均年龄只有29岁的年轻团队,仅用了4年的时间,就完成了这项需要积累大量样本和检测数据重要研究工作。

尤其是去年起,团队更是克服了疫情期间实验材料短缺、植物可操作周期短和实验技术难度大等重重困难。而对于李超而言,在做出实验顶层设计的同时,更重要的是持续鼓励学生拓展实验思路、探索和试错,在第一时间帮助学生分析问题,带领团队把握每一个实验的技术细节和数据处理。

图说:研究团队平均年龄只有29岁

刘晨是李超团队的首位博士研究生。他尝试多种方法,不断练习,采用显微操作和激光共同聚焦观察,解决了单个花粉粒引起乳突细胞局部活性氧降低的实验体系;经过荧光标记效率、反应体系pH和蛋白最适浓度等实验条件的反复摸索,最终发现了PCP-B小肽和RALF33小肽存在直接的竞争关系。“研究的工作量是巨大的,一次实验要剥开50个左右的柱头,单个柱头处理和观察需要1个小时左右进行拍照取证,所有图片需要测量分析才能得到结果,而这样的结果需要多次反复论证才能下结论……每一结果都是通过这样的大量多次实验得到。”刘晨回顾说。

有助克服远源杂交障碍

“花粉通过其覆盖物中的PCP-B小肽竞争柱头中的RALF33小肽,抑制柱头中RALF33—FER/ANJ受体激酶信号通路维持的活性氧水平,从而影响花粉水合。”这是李超课题组得出的结论。研究中发现的小肽、受体激酶以及信号通路成员在开花植物中广泛存在,由此推测,开花植物在进化上采用相似的策略以保证亲和花粉和柱头之间的识别。

图说:李超博士

“该机制的发现对于杂交育种中克服远源杂交障碍,得到优良品种具有重要意义。”在谈到这项基础研究成果的应用前景时,李超表示,“农业研究中,我们可以利用花粉-柱头的特异性识别机制,通过杂交将不同种属植物的优良性状整合到一起,得到高产优质高抗的品种。”

据悉,清华大学、美国马萨诸塞大学和国家蛋白质中心张江实验室也参与了该项研究。

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