解开未知受体和植物受精机制

花粉管被LURE肽吸引，LURE肽由胚珠产生，以实现受精。在他们最近发表在“ 自然”杂志上的报告中，名古屋大学的一对植物生物学家现在首次揭示了花粉管中的受体，这是探测LURE所必需的。揭示植物受精中的这种未知机制可以导致花粉管生长效率的提高，这可以因此导致增加的受精成功率。此外，这项研究还可能产生新的方法，以实现不同植物物种之间的相互作用，以产生新的作物。

日本名古屋 - JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics项目的Hidenori Takeuchi博士和Tetsuya Higashiyama教授以及名古屋大学转化生物分子研究所(ITbM)成功发现了花粉管中的关键激酶受体(雄性)开花植物负责允许花粉管精确到达卵细胞(雌性)以成功受精，而不会失去方向。

花粉管在雌蕊内生长，将精子细胞传递给位于雌蕊深处的卵细胞，进行受精。Higashiyama的小组先前发现了一种花粉管引诱肽，称为LURE，由胚珠产生，引导花粉管向卵细胞。研究表明，LURE的结构因植物种类而异，并且对每株植物的花粉管都有特异性; 即，每种LURE肽优先吸引相同植物物种的花粉管。然而，到目前为止，关于花粉管如何检测LURE的确切机制尚不清楚。

解开未知受体和植物受精机制

图2.未被LURE吸引的LURE和prk6突变体花粉管吸引的野生型花粉管的比较

在这项研究中，2016年3月10日在线发表在Nature，Takeuchi和Higashiyama 杂志上，发现了一种受体，这种受体是在模式植物拟南芥(拟南芥)的花粉管尖端检测LURE所必需的。他们还发现，该受体与具有相似结构的多个受体一起工作，以便精确检测从雌蕊传递的信号。通过接受从雌蕊发出的各种信号，激酶受体使花粉管能够生长到雌蕊内部的位置，在那里它们可以检测到LURE。随后，引导花粉管到达卵细胞并传递其精子细胞用于受精。

“我们相信这项研究可以促进我们对植物物种之间受精机制的理解，”目前在奥地利格雷戈尔孟德尔研究所进行这项研究的博士后研究员竹内说。“在进一步详细研究这种受体的作用后，我们希望这将导致开发改变受精成功率和提高种子生产效率的技术，并建立实现不同物种之间受精的方法， “ERATO项目的项目负责人Higashiyama说，名古屋大学ITbM的教授/副主任。

我们每天吃的大米和大豆是植物的种子，很多蔬菜都是从种子中发育出来的。对于植物生长种子，植物中的雄性和雌性生殖器官必须会合并受精。开花植物的雄性器官由花粉和内部的精子细胞组成。花粉发育成花粉管，这是一个具有管状结构的单细胞。花粉管(花药)的尖端延伸并生长到雌蕊中。花粉管最终到达雌蕊深处的卵细胞，并将精子细胞传递到卵细胞以进行受精。

花粉管能够精确地找到卵细胞而不会失去方向的事实可能是支持我们食物供应的关键因素。植物中雄性和雌性器官的会议是一个极其神秘而重要的事件，但它的确切机制仍然充满了神秘色彩。

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图3.响应LURE时PRK6定位的变化。

2009年，Higashiyama和他的同事们发现，一个位于卵细胞旁边的助细胞产生一种名为LUREs的分子，可吸引Torenia植物中的花粉管。他们还在2012年在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中发现了类似的LURE肽。

“我们发现LURE的结构根据植物种类的不同而不同，特定植物的诱饵吸引同一物种的花粉管，这保留了同一物种之间的受精，”Higashiyama描述道。“因此，LURE被认为是女性器官吸引植物中雄性器官的关键因素。”

然而，关于花粉管如何检测LURE的机制，花粉管如何生长到它们可以检测到LURE的雌蕊内部的位置，以及花粉管生长和反应背后的因素是未知的。Higashiyama的团队决定通过尝试揭示花粉管中的关键因素来研究这些问题，使其能够检测到LURE。

“通过使用拟南芥(Arabidopsis thaliana)作为模型，我们假设特异性定位于花粉管膜表面的23种激酶受体可能是检测LURE所必需的候选物，”Takeuchi说。“我通过停用每种激酶受体的功能进行了花粉管的生物测定，发现PRK6受体对检测LURE至关重要。”

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图4.将拟南芥的PRK6基因插入Capsella风疹中。

对于PRK6，实际上存在多个具有相似氨基酸序列的受体家族。在使其他PRK受体的功能失活后，Takeuchi和Higashiyama发现PRK受体的各种组合的丧失导致花粉管对LURE或阻碍的花粉管生长的响应减少。这与先前的报道一致，即PRK受体响应于从雌蕊发出的信号诱导花粉管的生长。因此，该团队发现PRK6及其它PRK受体共同检测LURE，并使花粉管能够生长到雌蕊内部的位置，在那里它可以检测到LURE。

Takeuchi接下来研究了PRK6如何在花粉管的细胞内发送信号，以了解它如何响应LURE。“当花粉管沿直线方向生长时，PRK6在细胞膜上均匀分布，”Takeuchi解释说。“我使用荧光标记的PRK6，并在花粉管中加入LURE后，我观察到PRK6向花粉管顶端的细胞膜区域移动，面向LURE。花粉管然后改变方向并开始向着饵。” 根据这些结果，研究小组发现PRK6收集了花粉管在LURE方向生长所需的因子。

“虽然花粉管的吸引力被认为优先发生在同一物种之间，但我们想知道我们是否可以让它在不同物种之间发生，”Higashiyama说。将来自拟南芥的LURE处理至与拟南芥(Arabidopsis thaliana)在相同的十字花科(十字花科)家​​族中的荠菜(粉红色牧羊人 - 钱包)植物的花粉管中，未观察到对LURE的响应。

“有趣的是，当我们将拟南芥的PRK6基因插入到荠菜的花粉管中时，它对拟南芥的诱饵有反应，”竹内说。“这一数据表明，花粉管中的PRK6受体肯定是检测同一物种LURE的关键因素。我们也非常高兴看到花粉管与不同物种的诱饵之间发生花粉管吸引，”竹内和东山。

通过雌蕊对雌蕊的施肥产生种子已经有2000多年的历史，并且是农业中极其重要的机制。此外，100多年前发现了花粉管被雌蕊器官吸引的事实。自从发现引诱剂分子LURE以来，已经寻求公开对蛋白质的反应机制。该研究揭示了花粉管中的PRK6受体是检测LURE并向LURE生长的主要因素。

“通过对PRK受体家族的进一步研究，我们希望揭示通过花粉管的生长和LURE的检测发生的完整受精机制，”Takeuchi和Higashiyama说。

“我们在研究中发现，插入PRK6受体基因可以吸引不同物种的花粉管，”Higashiyama说。“这可能有可能开发出能够在不同物种之间进行受精的新方法。通过探索靶向PRK受体的分子，这可能会导致农业化学品的产生，通过提高受精率来改善种子生产。我们还设想这项研究将引发新的研究，以促使不同物种之间的受精，以创造有助于可持续粮食供应的新的和有用的植物物种，“他继续说。