我科学家揭示被子植物防止多精受精分子机制

  本报北京1月24日电（记者晋浩天）北京大学生命科学学院瞿礼嘉教授团队揭示了模式植物拟南芥通过小肽信号及其受体介导的信号通路防止多精受精的分子机制，即揭示了为什么每个胚珠只有一根花粉管进入并受精的原因。该成果近日以《拟南芥中快速碱化因子RALF小肽介导的信号途径控制阻止多花粉管穿出现象》为题在《科学》在线发表。

  瞿礼嘉介绍，在动物受精过程中，常常会遇到多个精子同时游到卵子附近的情形，如果发生多个精子与卵子融合（即“多精受精”），则会引起胚胎细胞的基因组紊乱，导致胚胎发育终止。因此，动物中有非常严格的控制机制防止“多精受精”。然而，被子植物生殖过程与动物有很大区别。不同于动物的精子，被子植物的精细胞没有鞭毛，因此不能自主游动。精细胞只能像出租车的“乘客”一样被装在作为“司机”的花粉管细胞中，随着花粉管在花柱道中生长，并在胚珠吸引信号的作用下穿出花柱道隔膜、生长进入胚珠中爆炸释放出精细胞。

  但是，在雌蕊中有大量的花粉管在花柱道中生长，因此，被子植物中防止“多精受精”的控制机制就很大程度上转变成限制多根花粉管从隔膜穿出靶向同一个胚珠。更为复杂的是，阻止“多根花粉管”靶向胚珠的控制机制还涉及另外一个非常重要的生物学现象——“受精补偿”，即如果进入胚珠中的花粉管释放的精细胞不能正常受精时，就会有第二根花粉管穿出隔膜被吸引进入胚珠。“受精补偿”的存在增加了一次受精的机会，是植物保证生殖成功的重要机制。虽然阻止“多根花粉管”靶向胚珠和受精补偿的现象已经发现多年，但一直不清楚背后的分子控制机制。

  瞿礼嘉团队通过实验首次阐明，在花柱道隔膜处防止多花粉管穿出屏障的建立有赖于雌（受体）-雄（小肽信号）双方的相互作用。他们发现花粉管是沟通胚珠中受精状态和花柱道隔膜处屏障开/关的一个桥梁。当花粉管爆裂释放精细胞进行受精时，破裂花粉管表面的RALF小肽急剧减少，从而解除花柱道隔膜处的“屏障”，以便让第二根花粉管在需要“受精补偿”的时候穿出花柱道靶向胚珠进行第二次受精。

  瞿礼嘉指出，在花柱道隔膜处建立防止多花粉管穿出的屏障，除了防止“多精受精”以外，还在植物演化上具有重要意义。瞿礼嘉教授实验室前期研究论文表明，拟南芥胚珠分泌的物种特异性花粉管吸引信号AtLURE1s，吸引自身的花粉管比近缘物种的花粉管优先穿出花柱道靶向胚珠进行受精，实现“同种花粉优先”，促进近缘物种间的生殖隔离。而只允许一根花粉管穿出的“屏障”的建立是这种实现“同种花粉优先”、促进近缘物种间的生殖隔离的先决条件，因为该屏障确保了当第一根花粉管穿出后，没有其他花粉管穿出隔膜实现“弯道超车”的可能，是确定第一根穿出的花粉管优先受精优势的基础。

  据悉，北大生命科学学院瞿礼嘉教授为该论文的通讯作者，其实验室的钟声副研究员，李玲、王志娟、葛增祥博士以及博士生李其昀为该论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目和北大-清华联合生命中心的资助。