Mol Plant | 北京大学瞿礼嘉课题组发现乙烯并不是拟南芥有性生殖成功以及助细胞降解的必要条件

来源 | Mol Plant

被子植物的雌配子体是一个七细胞八核的结构，在被子植物的有性生殖过程中，雌配子体中的两个助细胞分别在不同的时间发生程序性死亡，首先是与花粉管接触的助细胞的死亡促进花粉管破裂释放精细胞，然后宿存助细胞的死亡则阻止后续花粉管的进入。气体激素乙烯是植物中的五大经典激素之一，乙烯信号通路被认为参与了调控植物的生长、发育、繁殖以及植物对胁迫的反应等各个方面。有报道认为，乙烯信号途径以及乙烯的前体物质ACC参与诱导了两个助细胞的程序性死亡和降解；而最近的研究表明ACC可能还通过影响花粉管吸引而参与调控植物生殖过程。然而，乙烯/ACC在助细胞程序性死亡和降解这一过程中的作用尚未在遗传学上得到证实。

2021年11月3日，北京大学生命科学学院瞿礼嘉教授课题组在Molecular Plant在线发表了题为“Lack of ethylene does not affect reproductive success and synergid cell death in Arabidopsis”的研究报告，阐明了乙烯本身并不是拟南芥有性生殖成功以及助细胞降解的必要条件。

在该项研究中，作者利用CRISPR/Cas9技术敲除了拟南芥中所有5个负责乙烯生物合成的ACC氧化酶 (ACO)基因，获得了完全没有ACO活性从而完全不生产乙烯的拟南芥突变体植株。他们综合运用了隔离培养、用玻璃器皿代替塑料、使用乙烯吸附剂等多种方法，建立了一个无乙烯的环境以供突变体植株生长，在该环境中突变体表现出侧根增多（短期效应）、花瓣面积增大（长期效应）等乙烯信号通路阻断的表型，证明突变体中确实不生产乙烯，同时该植物生长环境中没有乙烯，或者即使有痕量的乙烯，也无法互补乙烯缺乏的表型。随后他们证明，通过质谱在突变体植株中的各种组织均无法检测到乙烯，然而突变体在施加乙烯时可以产生正常的三重反应，同时还可以检测到乙烯信号途径中的重要转录因子EIN3的积累，这说明在不产生乙烯的突变体中乙烯信号途径是完整通畅的。有意思的是，用乙烯的前体ACC处理无法引发突变体植物产生三重反应，这说明，除非ACC在ACO活性的作用下转变成乙烯，否则ACC本身是无法启动乙烯信号途径的。

他们进一步发现，不生产乙烯的突变体植株的角果长短和育性均正常，说明对拟南芥成功地完成有性生殖而言乙烯不是必需的。随后，通过对突变体植物的助细胞进行荧光标记并观察统计细胞核的降解情况，他们进一步发现突变体植物中两个助细胞的程序性死亡/降解均可正常进行，说明乙烯的产生不是两个助细胞发生程序性死亡/降解的必要条件；但是，乙烯信号通路组分缺失突变体ein3 eil1中的宿存助细胞的程序性死亡/降解发生了显著的延迟，说明乙烯信号通路中的组分参与了对宿存助细胞的程序性死亡/降解的调控。

由于拟南芥的宿存助细胞是需要双受精成功才能启动程序性死亡/降解过程的，是否产生乙烯分子对于宿存助细胞程序性死亡/降解不是必要的这一结果说明，可能存在乙烯之外的另一个信号参与调控了宿存助细胞的死亡，而且这个信号可以独立于乙烯，直接调控了乙烯信号途径的EIN2以及EIN3/EIL1等几个组分。

这种不生产乙烯的突变体植物材料将是非常有用的遗传材料，未来可以用于进一步区分研究乙烯和ACC在植物发育和逆境反应中的独立功能，以及解析乙烯信号途径与其他信号途径之间的关系。

北京大学生命科学学院瞿礼嘉实验室博士生李文昊和李其昀以及钟上威实验室吕默含博士为共同第一作者，瞿礼嘉教授和钟声副研究员为共同通讯作者。北京大学生命科学学院王志娟博士与博士生宋子菡共同参与了该研究。北京大学钟上威研究员、顾红雅教授、美国罗格斯大学董娟教授和德国雷根斯堡大学Thomas Dresselhaus教授也参与了该项工作。该研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基因项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.11.001