Dev Cell | 华东师大李超课题组发现花粉—柱头互作识别过程水转运的分子机制

被子植物生殖发育过程中雌性器官和雄性器官发生多重信息交流，其中花粉和柱头之间的相互识别是雌雄互作的第一步。花粉与柱头间的互作能精准区分远源物种花粉、不亲和单倍型的花粉和有害的真菌孢子，而确保亲和性花粉萌发，以维持物种的遗传稳定性。研究花粉-柱头识别的分子机制为克服远缘杂交壁垒、加速杂交育种技术，进而对解决粮食安全问题具有重要意义。

华东师范大学生命科学学院李超课题组前期的研究中发现花粉小肽PCP-Bs通过竞争性抑制柱头小肽RALF23/33和受体激酶FERONIA/ANJEA的互作，从而导致柱头活性氧水平下降而使得花粉水合的分子机制(Liu et al., 2021)。关于这一关键的花粉-柱头识别机制的下游信号转导途径亟待研究，其中至关重要的是PCP-Bs作为亲和性花粉信号引起的柱头亲和性响应途径有哪些？小肽PCP-B-受体激酶FER/ANJ调控柱头向花粉泵水供其萌发的分子机制是怎样的？

近日，李超课题组在Developmental Cell在线发表了题为PCP-B peptides and CrRLK1L receptor kinases control pollination via pH gating of aquaporins in Arabidopsis的研究论文，揭示了花粉小肽PCP-B和受体激酶FER/ANJ通过调控质膜质子泵AHA1/2的磷酸化，引起授粉前后乳突细胞质膜附近pH变化，进而调控质膜水通道蛋白PIP1/2s的质子化控制水孔开闭，并进一步影响花粉水合。

该研究通过分析PCP-Bγ处理雌蕊的磷酸化组学数据，发现PCP-Bγ以依赖FER/ANJ的方式调控了柱头的一系列亲和性响应途径。授粉和PCP-Bγ处理柱头引起乳突细胞胞内近膜区pH迅速上升，同时非损伤离子检测技术检测发现RALF33能够显著引起乳突细胞顶端H+内流，而PCP-Bγ能够显著抑制RALF33引起的乳突细胞顶端H+内流现象。（图1）

图1. RALF23/33和PCP-Bγ引起乳突细胞质膜内pH改变

磷酸化组学及抗体检测结果发现RALF23/33和PCP-Bγ小肽通过调控质子泵AHA1/2的不同磷酸化位点来影响质子泵活性，进而影响花粉水合。同时，fer-4 anj-1的乳突细胞pH检测、体内磷酸化实验和遗传学实验也进一步证明了小肽引起的乳突细胞pH变化和质子泵蛋白活性改变依赖于FER/ANJ受体激酶。（图2）

图2. RALF23/33和PCP-Bγ通过FER/ANJ引起AHAs的活性改变

研究人员进一步发现PIPs家族的其他成员PIP2;2、PIP2;5及PIP1;1也参与调控花粉水合，并且PIP2;2/PIP1;2位于FER/ANJ–AHA信号通路下游。通过对PIP2;2受到pH影响的D环保守的197位组氨酸分析发现，H197位点的质子化状态对于花粉水合具有重要影响，且受到FER/ANJ的调控。（图3）

图3. FER/ANJ通过调控PIP1/2s的质子化影响花粉水合

综上所述，该研究发现了柱头-花粉小肽切换而精准调控水通道开闭的机制，即花粉PCP-B小肽引发了FER/ANJ调控的花粉亲和性响应，尤其是质子泵调控的水通道蛋白的质子化，从而促进花粉水合的分子机制（图4）。

图4. PCP-Bs–FER/ANJ–AHAs通过pH调控PIPs模式图

华东师范大学生命科学学院李超研究员为通讯作者，刘志文博士为第一作者，课题组硕士毕业生储晓楠、博士毕业生安徽农业大学刘晨教授、上海师范大学戴绍军教授、博士生任巍巍等参与了该项研究。该工作得到了国家自然科学基金委重点项目、杰青项目和面上项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.12.026