開花植物通過管粉受精的形式形成種子，使物種得以繁衍，使人類得以獲得食糧。在受精過程中，花粉管攜帶一對(duì)精細(xì)胞穿過長距離的雌蕊組織定向進(jìn)入胚囊。該過程受到嚴(yán)格的調(diào)控，確?！皽?zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)”受精，該過程被稱為花粉管導(dǎo)向。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多胚囊分泌的小肽類吸引信號(hào)通過花粉管上受體的識(shí)別來引導(dǎo)花粉管進(jìn)入珠孔。同時(shí)，大量的研究顯示Ca2+在植物生殖過程，如花粉管生長、導(dǎo)向、精卵融合中也起著至關(guān)重要的作用。但人們對(duì)胚囊信號(hào)與Ca2+之間的關(guān)系還缺少基本的認(rèn)知。

2月13日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所楊維才研究組在Nature Plants 發(fā)表了題為Integration of ovular signals and exocytosis of Ca2+channel by MLOs in pollen tube guidance 的論文，報(bào)道了花粉管中MLO （MILDEW RESISTANCE LOCUS O）蛋白介導(dǎo)的新的信號(hào)通路，負(fù)責(zé)胚囊信號(hào)和Ca2+之間的信號(hào)級(jí)聯(lián)。MLO在上世紀(jì)末被發(fā)現(xiàn)在大麥白粉病抗性中起關(guān)鍵作用，該類蛋白是七次跨膜的質(zhì)膜蛋白。該研究首次揭示了MLO蛋白的分子機(jī)制，為人們深入認(rèn)識(shí)花粉管導(dǎo)向的分子機(jī)理，解析植物七次跨膜蛋白作用的分子機(jī)制有重要啟示。

在擬南芥中有15個(gè)MLO同源基因，楊維才團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了三個(gè)在花粉高表達(dá)的基因MLOs：MLO5，MLO9，MLO15，其雙突變體mlo5/9和三突變體mlo5/9/15的花粉管在穿出花柱道后，表現(xiàn)為嚴(yán)重卷曲而不能進(jìn)入胚囊，最終導(dǎo)致敗育的現(xiàn)象，這與已知的花粉管導(dǎo)向缺陷突變體都不同。而這種卷曲現(xiàn)象在缺少胚囊的spl突變體、外株被不完整的ino突變體，或Arabidopsis lyrata雌蕊中消失。結(jié)合半體外吸引實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)mlo5/9花粉管卷曲的是一種可擴(kuò)散的來自胚珠的未知信號(hào)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在mlo5/9花粉管的胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度降低，并且Ca2+通道蛋白CNGC18的膜定位明顯消失。研究人員進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MLO5與CNGC18互作，并且伴隨花粉管轉(zhuǎn)彎，可以檢測到MLO和CNGC18以及Ca2+向轉(zhuǎn)彎方向的重新定位。研究人員進(jìn)一步通過質(zhì)譜等生化手段發(fā)現(xiàn)，MLO5/9與調(diào)控囊泡膜融合的SNARE蛋白VAMP721和VAMP722在同一復(fù)合體并直接相互作用，并且VAMP721的質(zhì)膜定位依賴MLOs。在vamp721+/- vamp722雜合突變體中，花粉管也有一定比例的卷曲表型，并且有一半花粉管呈現(xiàn)CNGC18質(zhì)膜定位消失的表型。由此，研究人員提出了MLO5/9/15通過VAMP721和VAMP722來調(diào)控CNGC18在質(zhì)膜上局部的重新定位，進(jìn)而影響花粉管轉(zhuǎn)彎時(shí)局部胞質(zhì)Ca2+濃度，來調(diào)控花粉管向胞外信號(hào)的定向響應(yīng)的分子機(jī)制。

該論文于2月13日發(fā)表在Nature Plants雜志（DOI：10.1038/s41477-020-0599-1）。遺傳發(fā)育所在讀博士生孟姜果和已畢業(yè)的梁良為共同第一作者，研究員楊維才和李紅菊為共同通訊作者。遺傳發(fā)育所研究員汪迎春團(tuán)隊(duì)也參與了這項(xiàng)研究。該課題得到國家自然科學(xué)基金和科技部資助。