Plant Cell | 兰州大学向云课题组发现被子植物花粉萌发适应高温的新机制

责编 | 王一

开花植物亦称为被子植物，是最多样化的陆生植物。被子植物有性生殖具有独特的双受精现象，该过程依赖花粉管有序的极性生长，将不能自主移动的两个精细胞运送到胚珠完成双重受精，从而开始种子发育。因此，双受精不仅是被子植物完成世代更替的核心环节，也是粮食作物产量形成的基础。

开花植物的授粉和受精过程常常发生在炎热的夏季以及每天温度最高的时间段，并且该过程对于高温极度敏感，尤其是雄配子体（花粉粒）对高温最为敏感，暗示着被子植物已演化出了抵御高温胁迫的有效策略。然而，随着全球气候变暖，玉米、棉花等农作物在散粉期频频出现极端高温天气，导致农作物花粉活力下降和丧失，从而造成种子败育甚至绝收，已经严重影响了我国重要农作物的产量。但目前有关被子植物在有性生殖过程中适应高温的分子机理仍然不清楚。

2023年11月6日，兰州大学向云课题组在The Plant Cell发表了题为“Evolution of the thermostability of actin-depolymerizing factors enhances the adaptation of pollen germination to high temperature”的研究论文，发现了被子植物花粉特异表达的微丝解聚蛋白ADFs演化出了高热稳定性，并且在高温下调控花粉粒中微丝骨架的动态进而促进花粉萌发，这可能是被子植物有性生殖过程演化出适应高温的潜在策略。

花粉管是被子植物中生长最快的极性生长细胞，其生长需要将细胞壁、细胞膜和重要功能蛋白极性运输到顶端生长点。微丝骨架特定的形态和动态变化在花粉萌发及花粉管生长过程中是不可缺少的。已有的研究表明，高温严重影响了微丝骨架形态及其介导的囊泡极性转运，这可能也是高温导致败育的一个重要原因。微丝解聚因子（actin-depolymerizing factors，ADFs）是一类真核生物中保守存在微丝结合蛋白，是调控微丝骨架快速周转的关键限制因子。拟南芥AtADFs家族共有11个成员，向云课题组发现该家族成员却表现出显著不同的热稳定性，其中在极性细胞（花粉和根毛）中特异性表达的第二亚家族ADFs热稳定性最高；通过祖先基因重塑和功能验证发现，在花粉中特异性表达的第二亚家族 ADFs（AtADF7和AtADF10）起源于具有高热稳定性的祖先蛋白ancADF-A，但其热稳定位点与ancADF-A完全不同，ancADF-A经历了祖先热稳定位点丧失和新位点再生的波状演变（图1）。

图1. 拟南芥ADF蛋白热稳定性的演变过程。不同的颜色表示60°C处理45分钟后上清液中未变性蛋白质占总蛋白质的百分比，洋红色代表该百分比为80%-100%，橙色代表60%-79%，绿色代表40%-59%，浅蓝色代表20%-39%，蓝色代表0-19%。A-J代表假定的ADF祖先蛋白，蛋白标签下方的数字表示在45°C下放置45分钟、在60°C下放置45分钟和在95°C下放置20分钟后的上清液中未变性蛋白质占总蛋白质的百分比。

此外，AtADF7的高热稳定性和热稳定位点在被子植物雄配子体特有的ADF中是保守的，并且花粉特异表达的拟南芥ADF7/10参与维持高温下微丝骨架的动态周转，对于高温下被子植物完成有性生殖非常重要（图2）。

综上，该研究揭示了被子植物花粉特异表达的ADFs演化出较高热稳定性的演化历史、保留机制、蛋白功能发生分化的分子机理，对于揭示植物基因家族功能分化模式和形成机制具有重要的理论意义。此外，该研究也发现了微丝骨架的热稳定性对于被子植物在高温下完成有性生殖至关重要，首次从细胞生物学角度上揭示了被子植物有性生殖演化出适应高温的新策略，为未来定向改良和解决农作物散粉期高温导致的产量下降难题提供了新思路。

图3. 拟南芥花粉萌发适应高温过程中ADF热稳定性演化的模型。在过去的375百万年（MYA）中，地球的地质温度发生了显著的波动，ADF蛋白的热稳定性也表现出相应的波动，与之相对应的是ADFs可能经历了热稳定位点的保留、损失和再生的动态波状演化。有趣的是，AtADF7和AtADF10在114 MYA附近分化，这与地球环境的持续变暖和白垩纪早期开花植物的兴起大致一致。在高温下，拟南芥花粉中表达具有热稳定的AtADF7和AtADF10，可以正常萌发并完成双重受精，而表达丧失热稳定性ADF7m的花粉对高温更加敏感。地球的地质气候变化：红色代表高温，蓝色代表低温。左边的饼图代表了ADF 进化过程中与热稳定性相关的11个关键氨基酸（AA）位点；蓝色楔形表示热不稳定的位点，红色楔形表示耐热位点，红色纹理楔形表示该位点丢失导致ADF的热稳定性增加。在右图中，红色温度计和太阳代表高温（HT）。花粉中的红色实心圆圈代表AtADF7或AtADF10；蓝色实心圆圈代表AtADF7m；花粉中的棕色实心圆圈代表其他可能的热稳定肌动蛋白结合蛋白（ABP）。

兰州大学青年研究员钱东、博士生李甜和陈书源为此论文的共同第一作者，向云教授为通讯作者。兰州大学何永兴教授、万东石教授、博士生郑晨、硕士生孙俊霞、博士生牛颖芝、博士生黎红霞、硕士生王沐璇、杨洋博士后、牛月副教授和安黎哲教授，以及北京师范大学李杰婕教授、博士生李佳静和孙振萍也参与了此项工作。该研究得到了国家自然科学基金委面上项目，崖州湾种子实验室项目以及兰州大学中央高校基本业务费的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koad280