2017年12月15日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心瞿禮嘉課題組的研究論文“Arabidopsis pollen tube integrity and sperm release are regulated by RALF-mediated signaling”在線發(fā)表于國際著名期刊Science上，該論文首次找到了擬南芥有性生殖過程中參與控制花粉管細(xì)胞完整性與精細(xì)胞釋放的信號分子及其受體復(fù)合體，并揭示了該過程的分子調(diào)控機(jī)制。
被子植物的有性生殖過程中有幾個重要的事件：1）花粉粒與柱頭相互識別而萌發(fā)；2）花粉管在引導(dǎo)組織中極性生長；3）花粉管導(dǎo)向胚珠；4）花粉管停止生長、爆炸并釋放精細(xì)胞；5）雌雄配子的融合。在這一系列過程中，花粉管與雌方組織之間存在大量的物質(zhì)和信號交流。已有的一些植物生物學(xué)研究表明，小肽分子可以作為重要的信號參與這些過程，而細(xì)胞膜定位的類受體激酶（Receptor-like kinase，RLK）可能作為感知這些信號分子的受體。2009年，人們發(fā)現(xiàn)花粉管質(zhì)膜上的受體ANXUR1/2參與了對花粉管完整性的調(diào)控，因?yàn)槿笔н@兩個受體之后花粉管一萌發(fā)就提前發(fā)生爆炸，精細(xì)胞無法正常送至胚囊（雌方組織），雙受精無法完成。但是，ANX1/2是如何維持花粉管細(xì)胞的完整性的？他們識別的信號分子是什么？花粉管又是如何在適當(dāng)?shù)牡胤健⑦m當(dāng)?shù)臅r間發(fā)生爆炸、釋放精細(xì)胞的？這一系列重要的科學(xué)問題長期沒有得到解決。
這個剛剛發(fā)表在Science的工作中，瞿禮嘉課題組發(fā)現(xiàn)了另外兩個花粉管質(zhì)膜上的受體（命名為BUPS1和BUPS2），這兩個受體基因突變后花粉管也會提前爆炸，出現(xiàn)精細(xì)胞無法正常送至胚囊、雙受精無法完成的現(xiàn)象。他們的研究發(fā)現(xiàn)，BUPS1/2受體實(shí)際上是與之前報道的受體ANX1/2形成一個異源受體復(fù)合體。隨后，瞿禮嘉課題組通過一系列遺傳學(xué)、生物化學(xué)及分子生物學(xué)等方法，又從花粉管中鑒定了兩個富含半胱氨酸小肽RALF4和RALF19，他們發(fā)現(xiàn)花粉管如果缺少這兩個小肽也會提前爆炸。由于受體BUPS1/2以及ANX1/2均可以特異地結(jié)合小肽分子RALF4/19，因此，他們的研究揭示了花粉管在生長過程中保持自身完整性的信號識別機(jī)制，即花粉管自身分泌出小肽信號RALF4/19、又由花粉管自身膜上的BUPS-ANX受體復(fù)合體接受這兩個小肽信號，維持花粉管在生長過程中的完整性。
那么花粉管又是什么時候、如何爆炸的呢？為了解決這個科學(xué)問題，瞿禮嘉課題組與其美國合作者進(jìn)行了艱苦的尋找和大規(guī)模驗(yàn)證工作，最終成功地鑒定到了另外一個小肽信號RALF34，該小肽只在胚囊中表達(dá)，如果把這個神奇的小肽分子施加到花粉管上，花粉管會在很短時間內(nèi)迅速發(fā)生爆炸。隨后瞿禮嘉課題組發(fā)現(xiàn)，胚囊分泌的小肽分子RALF34不僅可以直接與花粉管膜上的受體BUPS1/2以及ANX1/2相互作用，而且可以直接競爭性取代花粉管中分泌出來的小肽信號RALF4/19。至此，“花粉管何時以及如何爆炸”這個科學(xué)問題就得到了較為完美的解答，即：在花粉管抵達(dá)胚囊之前的生長過程中，花粉管膜上的BUPS-ANX受體復(fù)合體接收到花粉管自己分泌的小肽信號RALF4/19，維持花粉管細(xì)胞的完整性；當(dāng)花粉管到達(dá)胚囊后，雌方分泌的小肽信號RALF34競爭性取代掉原先結(jié)合在BUPS-ANX受體復(fù)合體上的信號RALF4/19，從而促使花粉管發(fā)生破裂、釋放出精細(xì)胞，為雙受精做好準(zhǔn)備。這一新的花粉管爆炸分子機(jī)制的發(fā)現(xiàn)將人們在分子水平對被子植物的有性生殖調(diào)控過程的理解又往前推進(jìn)了一大步。
擬南芥BUPS-ANX受體復(fù)合體以及RALF小肽信號調(diào)控花粉管細(xì)胞完整性與精細(xì)胞釋放的示意圖
BUPS命名源自《西游記》中的典故。孫悟空大鬧天宮失敗后，被如來佛祖拿住，壓在五行山下。為防孫悟空逃出，佛祖用寫有金字咒文的壓貼（Buddha’s Paper Seal，BUPS）壓在五行山頂上，猴王被徹底封住。五百年后，唐僧西行途經(jīng)猴王被封處，揭下佛祖的金字壓貼，五行山炸裂，悟空釋出，從此成就一段師徒西行萬里取得真經(jīng)的佳話。（圖由王雪霏同學(xué)繪制）
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院瞿禮嘉教授與馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校Alice Y. Cheung教授為該論文的共同通訊作者，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2013級研究生葛增祥和馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校Tabata Bergonci為共同第一作者；北京大學(xué)生命科學(xué)院肖俊宇研究員和顧紅雅教授、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院來魯華教授、德國雷根斯堡大學(xué)Thomas Dresselhaus教授、美國Rutgers大學(xué)董娟博士等也參與了其中部分工作。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和北大-清華聯(lián)合生命中心的資助。