中国农业大学眭晓蕾课题组揭示己糖激酶CsHXK3协调糖代谢和ROS稳态调控黄瓜花粉发育的分子生理机制

雄性不育是作物杂交制种的关键性状。花粉发育离不开糖代谢（能量供给）和活性氧（ROS）信号的调控，但两者在花粉发育过程中的协同机制仍不清楚。己糖激酶（HXK）催化己糖磷酸化，参与植物的生长发育，然而叶绿体定位的HXK在调节花药碳水化合物代谢中的功能鲜有报道。

近日，中国农业大学园艺学院眭晓蕾教授团队在The Plant Journal在线发表题为“Loss of theplastidialhexokinaseCsHXK3triggers metabolic starvation and ROS imbalance leading to pollen abortion in cucumber”的研究论文，揭示了黄瓜质体己糖激酶CsHXK3通过协同雄花花药糖代谢与ROS稳态，以确保绒毡层程序性细胞死亡（PCD）和花粉成熟的生理机制。

研究人员在黄瓜基因组中鉴定出6个己糖激酶（HXK）家族基因。课题组前期研究发现，干扰细胞壁转化酶CsCWIN3基因表达显著降低黄瓜花粉活性并影响种子发育（Liu et al., Plant Physiology, 2024）。本研究进一步分析发现在花粉活力受损的转基因材料CsCWIN3-RNAi中，己糖激酶CsHXK3的表达显著降低，暗示了其可能在下游己糖利用和花粉发育中发挥关键作用。进化树分析发现黄瓜CsHXK3与拟南芥AtHXK3同源，亚细胞定位显示CsHXK3蛋白定位在叶绿体（图1A）。此外，CsHXK3启动子驱动的RUBY报告基因显示，CsHXK3主要在雄花花药中富集（图1B）；免疫组织化学定位进一步显示，CsHXK3蛋白高度富集于花药绒毡层、四分体及维管组织中（图1C）。生化分析证实，CsHXK3为葡萄糖亲和型己糖激酶（图1D,E），并且氨基酸点突变实验表明Ser174残基是其催化活性的关键位点。

图1 黄瓜己糖激酶CsHXK3表达与定位及其酶学催化特性分析

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，研究人员构建了CsHXK3功能缺失的Cshxk3突变体。该突变体表现出严重的雄性不育，花药发育后期膨大、扭曲且不规则，花粉粒皱缩（图2A,B），花粉活力严重下降，且花粉体外萌发和花粉管体内伸长均严重受阻。细胞学分析表明，Cshxk3突变体的绒毡层细胞出现异常空泡化且PCD延迟，败育的花粉粒表面附着绒毡层残留物（图2B,C）。

进一步的代谢与转录组分析发现，Cshxk3突变体花药中葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉积累量显著下降，同时，包括CsSWEET1、CsSWEET5b、CsSWEET10、CsSTP13在内的糖转运蛋白，以及淀粉代谢相关基因CsGPT1的表达显著下调（图2D）。此外，CsHXK3缺失破坏了花药的ROS稳态，导致过氧化氢（H2O2）水平大幅降低。这与ROS合成基因CsRBOHB的表达下调及参与ROS清除的过氧化物酶基因CsPRX02和CsPRX39的表达上调密切相关（图2E-G）。这种糖分与淀粉供应不足及ROS信号减弱的协同作用阻止了花药绒毡层PCD的正常启动， 最终导致了黄瓜花粉败育。

图2 黄瓜己糖激酶CsHXK3基因敲除突变体表型及其糖代谢/糖转运和ROS代谢分析

综上所述，黄瓜质体己糖激酶 CsHXK3协同调控了花药中糖代谢与ROS稳态。其通过维持充足的糖与淀粉供应以及适宜的H2O2水平，在保障花药绒毡层细胞适时程序性死亡（PCD）和花粉正常发育中发挥关键作用。CsHXK3的功能缺失会限制花药中的糖分及能量供应，并打破ROS稳态，最终导致花粉败育。该研究为理解植物雄性生殖过程中糖代谢与ROS信号的协同调控网络提供了全新视角，也为黄瓜雄性不育系的创制与育种应用提供了潜在的基因靶点。

中国农业大学园艺学院/设施蔬菜生长发育调控北京市重点实验室眭晓蕾教授和已出站博士后聂静博士（现为湖南大学隆平农学院副教授）为本论文的共同通讯作者。中国农业大学园艺学院博士生吕立军和天津市农业科学院黄瓜研究所/蔬菜生物育种全国重点实验室张利东副研究员为本文的共同第一作者。天津市黄瓜研究所李愚鹤研究员和黄洪宇副研究员参与了相关研究工作并提供重要支持。本研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、教育部111项目、中央高校基本科研业务费专项资金，以及中国农业大学2115人才培育发展支持计划的资助与支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.71062