开花植物通过管粉受精的形式形成种子，使物种得以繁衍，使人类得以获得食粮。在受精过程中，花粉管携带一对精细胞穿过长距离的雌蕊组织定向进入胚囊。该过程受到严格的调控，确保“准时准点”受精，该过程被称为花粉管导向。目前，已经发现了诸多胚囊分泌的小肽类吸引信号通过花粉管上受体的识别来引导花粉管进入珠孔。同时，大量的研究显示Ca2+在植物生殖过程，如花粉管生长、导向、精卵融合中也起着至关重要的作用。但人们对胚囊信号与Ca2+之间的关系还缺少基本的认知。
2020年2月13日，中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才课题组在Nature Plants发表了题为Integration of ovular signals and exocytosis ofCa2+channel by MLOs in pollen tube guidance的论文，报道了花粉管中MLO (MILDEW RESISTANCE LOCUS O) 蛋白介导的新的信号通路，负责胚囊信号和Ca2+之间的信号级联。MLO在上世纪末被发现在大麦白粉病抗性中起关键作用，该类蛋白是七次跨膜的质膜蛋白。该研究首次揭示了MLO蛋白的分子机制，为人们深入认识花粉管导向的分子机理，解析植物七次跨膜蛋白作用的分子机制有重要启示。值得一提的是，Nature Plants同期刊发了普渡大学的同行学者Sharon A. Kessler教授撰写的题为Keeping pollen tubes on track的评论文章，对该工作进行了解读和点评。
在拟南芥中有15个MLO同源基因，杨维才团队发现了其中三个在花粉高表达：MLO5，MLO9，MLO15，双突变体mlo5/9和三突变体mlo5/9/15的花粉管在穿出花柱道后，表现为严重卷曲而不能进入胚囊，最终导致败育的现象，这与已知的花粉管导向缺陷突变体都不同。而这种卷曲现象在缺少胚囊的spl突变体、外株被不完整的ino突变体，或Arabidopsis lyrata雌蕊中消失。结合半体外吸引实验发现，诱导mlo5/9花粉管卷曲的是一种可扩散的来自胚珠的未知信号。
研究人员发现，在mlo5/9花粉管的胞质内Ca2+浓度降低，并且Ca2+通道蛋白CNGC18的膜定位明显消失。进一步研究发现，MLO5与CNGC18互作，并且伴随花粉管转弯，可以检测到MLO和CNGC18以及Ca2+向转弯方向的重新定位。进一步通过质谱等生化手段发现，MLO5/9与调控囊泡膜融合的SNARE蛋白VAMP721和VAMP722在同一复合体并直接相互作用，并且VAMP721的质膜定位依赖MLOs。在vamp721+/- vamp722杂合突变体中，花粉管也有一定比例的卷曲表型，并且有一半花粉管呈现 CNGC18质膜定位消失的表型。由此，研究人员提出了MLO5/9/15通过VAMP721和VAMP722来调控CNGC18在质膜上局部的重新定位，进而影响花粉管转弯时局部胞质Ca2+浓度，来调控花粉管向胞外信号的定向响应的分子机制。
图：MLOs调控花粉管对胚囊信号的响应
遗传发育所在读博士生孟姜果和已毕业的梁良博士为共同第一作者，杨维才研究员和李红菊研究员为共同通讯作者。遗传发育所汪迎春研究员团队也参与了这项研究。该课题得到国家自然科学基金和科技部资助。
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