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學術進展 | PPB:北京科技大學萬向元團隊同期發表兩篇植物生殖發育相關論文

2023年9月21日,北京科技大學生物農業研究院、北京中智生物農業國際研究院萬向元教授團隊在Plant Physiology and Biochemistry (IF: 6.5) 10月刊,同期發表兩篇論文: A systematic analysis of the subtilase gene family and expression and subcellular localization investigation of anther-specific members in maize (Volume 203, 108041) 和Structural and molecular basis of pollen germination (Volume 203, 108042),分別對玉米枯草桿菌蛋白酶家族尤其是潛在影響育性的花藥特異表達成員進行了系統分析,以及系統綜述了植物花粉萌發的結構和分子基礎。


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發表在PPB上的第一篇研究論文:枯草桿菌蛋白酶(SBT)屬于絲氨酸蛋白水解酶家族,在植物發育和抵抗生物和非生物脅迫中發揮著重要作用。例如,在擬南芥中,花藥絨氈層產生的 Casparian Strip Integrity Factor(CIF)肽前體需要花粉分泌的SBT蛋白進行加工才能被定位在中間層的受體激酶Gassho(GSO)識別,進而調控花粉壁正常發育。盡管SBT基因家族已在一些植物中尤其是雙子葉植物(如擬南芥)基因組中進行了鑒定,且有部分成員的功能已經明確,但對 SBT 在單子葉植物中的潛在功能知之甚少,在玉米中更是沒有任何報道。

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圖1. 玉米SBT家族成員及蛋白活性位點結構分析


該論文從玉米基因組中首次分離鑒定了58個編碼SBT蛋白的基因,并對其表達、進化、蛋白結構及功能保守性進行了系統分析研究(部分見圖1)。此外,對花藥特異表達的成員在花藥不同發育時期的表達及蛋白亞細胞定位行了詳細分析(部分見圖2),為后續研究這些基因的功能及發掘潛在的雄性不育基因提供了重要參考。

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圖2. 花藥特異表達的玉米SBT蛋白的亞細胞定


北京科技大學生物農業研究院青年教師侯全璨和已畢業碩士生王琳琳為該論文共同第一作者,萬向元教授為該論文通訊作者。


原文鏈接:https://authors.elsevier.com/c/1hmRQ3VH9X9wrH


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發表在PPB上的第二篇綜述論文:花粉萌發是開花植物進行雙受精的先決條件,全面了解花粉萌發的結構和分子基礎對提高作物產量至關重要。發育完整的花粉孔結構是大多數植物花粉萌發的基礎,花粉孔的形成涉及細胞極性的確立、不同膜域的形成以及胞外物質的精確沉積。此外,花粉成功萌發需要花粉粒和柱頭之間精確的物質交換和信號轉導。最近對擬南芥和水稻花粉萌發過程的細胞學和突變體分析拓展了我們對這一生物學過程的理解,但花粉萌發過程中萌發位點結構和能量相關代謝物的整體變化仍有待進一步研究。

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圖3. 擬南芥和水稻花粉孔發育過程


該論文對雙子葉植物擬南芥和單子葉植物水稻花粉孔形成、花粉黏附、水合和萌發過程的最新研究進展進行了系統總結和比較,并對花粉萌發過程的結構基礎和分子機制進行了探討。許多雙子葉植物花粉沿赤道區域均勻分布有3個花粉孔(圖3A),而單子葉花粉通常只有一個花粉孔位于花粉的遠極端(圖3B)。除花粉孔數量不同外,雙子葉和單子葉的花粉孔結構也存在差異,這些差異導致了不同的萌發模式。

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圖4. 擬南芥和水稻從授粉到萌發的過程


在包含擬南芥的大部分十字花科植物中,花粉管既可以從花粉孔中萌發,也可以直接從花粉壁中萌發,而其它大多數開花植物的花粉管只通過花粉孔萌發。組成花粉孔結構的孔蓋、孔環和Zwischenk?rper在水稻花粉萌發中都起著至關重要的作用。文章對這些結構的形成過程、成分、機制以及已克隆鑒定的與花粉黏附、水合及萌發過程相關基因進行總結,并對其通過參與信號轉導、糖代謝、物質轉運和細胞壁成分生物合成等途徑,進而控制花粉萌發的機制進行了詳細總結和綜述 (圖4)。

北京科技大學生物農業研究院博士生趙薇和青年教師侯全璨為共同第一作者,吳鎖偉教授和萬向元教授為共同通訊作者。


原文鏈接:https://authors.elsevier.com/c/1ho9J3VH9X9wrT


上述相關研究工作得到了“十四五”國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、北京市科技新星及中央高?;究蒲袠I務費等項目的聯合資助。




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