黃善金課題組揭示自交不親和花粉管中微絲動態變化的分子基礎及調控機制
2020/03/095395
自交不親和性是植物在長期進化過程中形成的一種生殖隔離機制，通過阻止自交促進異交保證植物的遺傳多樣性，有利于植物進化和適應環境。在作物遺傳改良和雜種優勢利用上具有重要的價值。根據遺傳控制特性，自交不親和性可以分為配子體自交不親和和孢子體自交親和兩種類型。罌粟的自交不親和性屬于配子體自交不親和。目前其分子控制機制已經清楚，即柱頭通過分泌一種叫PrsS蛋白和花粉表面的PrpS蛋白互作引發花粉自交不親和反應。由于罌粟花粉自交不親和反應能在體外進行重組，所以目前對于自交不親和花粉管中發生的細胞學事件在該系統中了解得相對較為清楚。
在罌粟自交不親和的花粉管中，出現鈣離子梯度的消失和鈣離子濃度上升、微絲骨架劇烈重排和細胞程序性死亡等。自交不親和花粉管中微絲骨架的變化比較特殊，發生大量的解聚同時形成特別穩定的微絲結構命名為“actin foci”。由于微絲輕微的變化就足夠抑制花粉管生長，人們對于自交不親和花粉管中微絲為什么需要發生這么劇烈的變化一直很好奇。此外，人們對自交不親和花粉管中微絲骨架變化如何實現也很好奇。Noni Franklin-Tong實驗室發現，當把罌粟自交不親和遺傳控制系統移植到擬南芥中，自交的擬南芥花粉也出現不親和反應。這一方面說明自交不親和反應利用了植物細胞中保守的細胞學通路和元件。另一方面，也為人們充分利用擬南芥強大的遺傳學手段和資源深入探究自交不親和反應的分子和細胞學機制提供了條件。
在罌粟自交不親和的花粉管中，出現鈣離子梯度的消失和鈣離子濃度上升、微絲骨架劇烈重排和細胞程序性死亡等。自交不親和花粉管中微絲骨架的變化比較特殊，發生大量的解聚同時形成特別穩定的微絲結構命名為“actin foci”。由于微絲輕微的變化就足夠抑制花粉管生長，人們對于自交不親和花粉管中微絲為什么需要發生這么劇烈的變化一直很好奇。此外，人們對自交不親和花粉管中微絲骨架變化如何實現也很好奇。Noni Franklin-Tong實驗室發現，當把罌粟自交不親和遺傳控制系統移植到擬南芥中，自交的擬南芥花粉也出現不親和反應。這一方面說明自交不親和反應利用了植物細胞中保守的細胞學通路和元件。另一方面，也為人們充分利用擬南芥強大的遺傳學手段和資源深入探究自交不親和反應的分子和細胞學機制提供了條件。
2020年2月11日，清華大學生命科學學院黃善金課題組在細胞生物學期刊Journal of Cell Science在線發表題為“villin蛋白控制花粉管actin foci結構的形成和增大”（Villin Controls the Formation and Enlargement of Punctate Actin Foci in Pollen Tubes）的研究論文。該研究利用活體成像的方法揭示了自交不親和花粉管微絲骨架動態變化的分子基礎，并綜合遺傳學和生物化學等手段發現villin蛋白參與其中控制微絲骨架的動態變化。
圖1. S蛋白處理和鈣離子通透劑處理引起花粉管類似的微絲骨架變化，再現罌粟花粉管自交不親和反應
研究人員首先發現擬南芥花粉管在PrpS蛋白的處理下微絲骨架發生劇烈重排，并逐漸形成點狀的結構。隨著處理時間的變長，微絲結構幾乎全部都變成點狀的結構 （圖1B）。同時發現鈣離子通透劑處理花粉管中也形成類似的微絲結構（圖1A）。這和自交不親和罌粟花粉管中微絲骨架的變化極其類似。
圖2.鈣離子濃度升高時花粉管微絲骨架動態變化過程
接著，為了揭示微絲變化過程的細節，研究人員利用活體成像的辦法觀察花粉管中微絲的變化過程。發現微絲在早期階段先發生一定程度的重排，從和花粉管伸長軸平行排布變成網絡狀的結構，然后微絲發生片段化（圖2A，B）。整體來看，熒光強度是在下降的（圖2C），表明微絲發生了解聚。通過實時追蹤點狀微絲結構的動態變化，發現點狀微絲結構逐漸變大形成actin foci（圖2D，E），這和過去報道的結果類似。進一步的觀察發現片段化的微絲結構會相互交聯在一塊形成大的actin foci（圖2F-I），表明actin foci的形成主要通過將片段化的細小微絲結構交聯在一起而產生。這與過去推測actin foci是由微絲原位聚合而來的說法有出入。
圖3.鈣離子濃度上升的過程中villin在花粉管中和微絲共定位
為了闡明花粉管中微絲變化的調控機制，研究人員接著驗證了具有鈣離子依賴的微絲切割活性的villin蛋白是否參與其中。首先發現鈣離子引起的微絲骨架變化過程中，villin和各微絲結構共定位（圖3）。接下來，分析了villin功能缺失突變體花粉管中鈣離子引起的微絲變化過程，發現和野生型花粉管相比，微絲變化過程顯著受阻，表明villin對于鈣離子引起的微絲變化過程至關重要。后續的實驗發現缺失微絲切割能力的villin蛋白在花粉管內缺失使微絲片段化合解聚的能力（圖4），表明villin蛋白在花粉管中通過其微絲切割活性促進微絲片段化。進一步的實驗發現當villin蛋白缺失微絲成束活性但保留微絲切割活性，花粉管中微絲片段化能發生但actin foci的變大過程受阻。表明villin通過其微絲成束活性使actin foci變大。這些發現支持上面的觀察，即actin foci的形成主要是通過將短而小的微絲結構交聯在一起。
研究人員首先發現擬南芥花粉管在PrpS蛋白的處理下微絲骨架發生劇烈重排，并逐漸形成點狀的結構。隨著處理時間的變長，微絲結構幾乎全部都變成點狀的結構 （圖1B）。同時發現鈣離子通透劑處理花粉管中也形成類似的微絲結構（圖1A）。這和自交不親和罌粟花粉管中微絲骨架的變化極其類似。
圖2.鈣離子濃度升高時花粉管微絲骨架動態變化過程
接著，為了揭示微絲變化過程的細節，研究人員利用活體成像的辦法觀察花粉管中微絲的變化過程。發現微絲在早期階段先發生一定程度的重排，從和花粉管伸長軸平行排布變成網絡狀的結構，然后微絲發生片段化（圖2A，B）。整體來看，熒光強度是在下降的（圖2C），表明微絲發生了解聚。通過實時追蹤點狀微絲結構的動態變化，發現點狀微絲結構逐漸變大形成actin foci（圖2D，E），這和過去報道的結果類似。進一步的觀察發現片段化的微絲結構會相互交聯在一塊形成大的actin foci（圖2F-I），表明actin foci的形成主要通過將片段化的細小微絲結構交聯在一起而產生。這與過去推測actin foci是由微絲原位聚合而來的說法有出入。
圖3.鈣離子濃度上升的過程中villin在花粉管中和微絲共定位
為了闡明花粉管中微絲變化的調控機制，研究人員接著驗證了具有鈣離子依賴的微絲切割活性的villin蛋白是否參與其中。首先發現鈣離子引起的微絲骨架變化過程中，villin和各微絲結構共定位（圖3）。接下來，分析了villin功能缺失突變體花粉管中鈣離子引起的微絲變化過程，發現和野生型花粉管相比，微絲變化過程顯著受阻，表明villin對于鈣離子引起的微絲變化過程至關重要。后續的實驗發現缺失微絲切割能力的villin蛋白在花粉管內缺失使微絲片段化合解聚的能力（圖4），表明villin蛋白在花粉管中通過其微絲切割活性促進微絲片段化。進一步的實驗發現當villin蛋白缺失微絲成束活性但保留微絲切割活性，花粉管中微絲片段化能發生但actin foci的變大過程受阻。表明villin通過其微絲成束活性使actin foci變大。這些發現支持上面的觀察，即actin foci的形成主要是通過將短而小的微絲結構交聯在一起。
圖4.去除villin蛋白的微絲切割活性影響花粉管微絲片段化和解聚
這項研究幫助人們了解自交不親和花粉管中微絲動態變化的分子基礎。具體來說，花粉管中微絲骨架經歷了片段化、解聚和形成actin foci以及其變大的過程。該項研究加深了人們對花粉管自交不親和反應的細胞學機制的理解。目前對于花粉管為什么需要形成特別穩定的actin foci結構，也就是說actin foci結構是否具有特殊的生物學功能還有待于揭示。
黃善金實驗室的博士生趙婉瀅、已出站博士后屈曉璐和博士生莊宇慧為本文的共同第一作者。參與該論文的還有伯明翰大學Noni Franklin-Tong教授、阿伯里斯特大學Maurice Bosch博士和Ludi Wang博士以及中科院遺傳與發育生物學研究所薛勇彪研究員。黃善金研究員為本文的通訊作者。該研究受到國家自然科學基金委和清華大學的資助。
文章鏈接：https://jcs.biologists.org/content/early/2020/02/11/jcs.237404
這項研究幫助人們了解自交不親和花粉管中微絲動態變化的分子基礎。具體來說，花粉管中微絲骨架經歷了片段化、解聚和形成actin foci以及其變大的過程。該項研究加深了人們對花粉管自交不親和反應的細胞學機制的理解。目前對于花粉管為什么需要形成特別穩定的actin foci結構，也就是說actin foci結構是否具有特殊的生物學功能還有待于揭示。
黃善金實驗室的博士生趙婉瀅、已出站博士后屈曉璐和博士生莊宇慧為本文的共同第一作者。參與該論文的還有伯明翰大學Noni Franklin-Tong教授、阿伯里斯特大學Maurice Bosch博士和Ludi Wang博士以及中科院遺傳與發育生物學研究所薛勇彪研究員。黃善金研究員為本文的通訊作者。該研究受到國家自然科學基金委和清華大學的資助。
文章鏈接：https://jcs.biologists.org/content/early/2020/02/11/jcs.237404
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