华南农业大学最新《Science》子刊

近日，华南农业大学生命科学学院王浩教授团队在Science子刊Science Advances上发表题为“NtLLG4-mediated unconventional polar exocytosis of NtPPME1 coordinates cell wall rigidity and membrane dynamics to control pollen tube integrity”的研究论文，该研究揭示了非典型极性胞吐途径的生物发生过程及其关联细胞壁与细胞膜来共同调控花粉管细胞生长和植物受精的分子作用机制。

细胞壁和细胞膜在植物生长发育过程中如何互相沟通和协调一致？细胞膜需要扩张但细胞壁却坚如磐石可不行。以极性生长的花粉管为模型，该研究揭示了这一协调机制。被子植物生殖受精的核心是通过花粉管递送两个不可自主运动精细胞到胚囊。花粉管从柱头表面向雌配子体快速极性生长时，必须维持自身结构完整性，而在抵达胚囊后则需及时破裂以释放精细胞完成双受精。花粉管的生长调控和完整性维持取决于细胞膜与细胞壁的协同作用。王浩实验室前期研究发现了一条非典型极性胞吐途径。该途径可介导调控细胞壁刚性的关键果胶甲酯酶（Nicotiana tabacum pollen-specific pectin methylesterase 1，NtPPME1），通过高尔基体衍生囊泡（Golgi-derived secretory vesicles，GDSVs）绕过蛋白质经典胞吐外泌途径必经的反式高尔基网状体，直接极性分泌至质外体中，调控花粉管细胞壁刚性以维系细胞快速顶端生长。但是，该非典型极性胞吐途径的生物发生过程及其调控花粉管极性生长的分子作用机制尚未被揭示。此外，传统观点认为花粉管顶端聚集着形态相似、大小均一、直径约130纳米的典型微囊泡，其尺寸与GDSV存在显著差异。GDSVs是否可以被极性运输至花粉管顶端来介导蛋白质胞吐外泌也尚未明确。

该研究利用新兴的冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜（Cryo-FIB-SEM）和三维断层成像与重构技术，首次成功明确了花粉管顶端包含两种不同类型微囊泡。研究结果显示，除直径为130纳米的经典微囊泡外，介导NtPPME1非典型胞吐外泌微囊泡GDSVs也特异聚集在花粉管顶端。其次，该研究系统解析了介导NtPPME1非典型极性胞吐外泌的运输信号，揭示该蛋白质运输途径的生物发生机制，为今后用于以植物细胞为底盘的合成生物学和生物反应器提供了理论依据。最后，该研究进一步鉴定和探明了LORELEI糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白 4（NtLLG4）是介导NtPPME1非典型胞吐外泌的转运受体蛋白，它可特异性识别和结合NtPPME1通过GDSVs进行胞吐外泌，进而调控花粉管顶端细胞壁的刚性。同时，前人研究发现LLG也是定位于细胞膜上维系花粉管细胞完整性的关键蛋白之一。因此，该研究阐明了细胞壁与细胞膜协同维系花粉管完整性的分子作用机制。

本研究成果为植物生殖生物学研究提供了新视角，不仅深化了对非典型胞吐途径在细胞极性生长和形态发生的生物学功能的理解，拓展了有关非典型蛋白质胞吐外泌的认知，丰富了细胞蛋白质分泌的理论体系，还进一步增进了人们对植物双受精过程的认识，并为花粉管导向机制的研究提供了新的理论依据。研究团队表示，后续将深入解析植物细胞极性建成过程中的调控网络，并进一步探索其在农业育种中的应用潜力。

生命科学学院翁洵博士为本文的第一作者，已毕业硕士生王昊，已毕业本科生王子恒（加利福尼亚大学圣迭戈分校在读研究生），陈芷烆（香港城市大学在读研究生），刘传灏（香港中文大学在读研究生）以及杨致远（中山大学在读研究生）也参与了该研究工作。此外，蔡司公司蒋艺丰工程师，香港中文大学高嘉阳博士后和姜里文教授，我校赵利锋副教授和黄吉雷研究员以及兰州大学张凤教授对本研究提供了支持与帮助，王浩教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委重大研究计划（集成项目和培育项目）和面上项目、广东省自然科学基金项目以及双一流学科提升计划的资助。