我院李超团队《科学》发文：首次破解植物亲和花粉授粉机制
4月9日，《科学》杂志发表了best365体育官网登录入口李超课题组最新成果。该研究以十字花科中的模式植物拟南芥为研究对象，揭示出花粉-柱头相互识别的分子机理，从而在植物生殖发育领域，首次破解了开花植物识别本物种花粉，而拒绝其他物种花粉的根本原因。
《科学》杂志发表best365体育官网登录入口李超课题组最新成果
“花粉通过其覆盖物中的PCP-B小肽竞争柱头中的RALF33小肽，抑制柱头中RALF33—FER/ANJ受体激酶信号通路维持的活性氧水平，从而影响花粉水合。”李超课题组经过4年的实验研究得出结论。研究中发现的小肽、受体激酶以及信号通路成员在开花植物中广泛存在，由此推测，开花植物在进化上采用相似的策略以保证亲和花粉和柱头之间的识别。
该研究以拟南芥为研究对象，揭示花粉-柱头相互识别的分子机理
打破常规思路 整合两条关键线索
植物的遗传机制保证了物种的特异性，即雌蕊柱头只能接受同种的花粉，允许其萌发和受精，而花粉与柱头“相互识别”的信息交换原理是这种遗传机制的关键所在。
为此，研究团队建立起一整套研究花粉-柱头相互作用的实验体系，包括精准的花粉水合观察体系，柱头乳突细胞活性氧观察体系，以及多种研究小肽竞争受体激酶的生化实验体系。
和国际上其他寻找柱头受体的课题组一样，研究人员最初按照常规思路推测，柱头感受花粉的受体基因突变后会造成花粉水合速率变慢的表型，但实验结果却恰恰相反。经研究发现，FER/ANJ突变体呈现出花粉水合速率反而加快的表型。
拟南芥雌蕊柱头的乳突细胞在授粉前存在活性氧的积累，而授粉引起活性氧水平下降（图1A），当对活性氧抑制剂和清除剂饲养的柱头授粉后发现，柱头活性氧水平降低促进花粉水合（图1B）。来自花粉覆盖物PCP-B小肽处理野生型柱头能够引起乳突细胞活性氧水平降低（图1C），并且经PCP-Bγ处理的柱头引起花粉水合速率加快（图1D）。柱头乳突细胞中FER和ANJ受体激酶突变后造成活性氧水平偏低（图1E）和花粉水合加快（图1F）。进一步研究发现， FER/ANJ和PCP-Bs相互作用（图1G），共同调控柱头活性氧水平和影响花粉水合。
图1. PCP-Bs通过FER/ANJ受体激酶影响柱头活性氧和花粉水合
进一步还发现，柱头乳突细胞自分泌的RALF33小肽通过FER/ANJ－LLG1－ROP2－RBOHD信号通路引起活性氧产生。而PCP-Bγ小肽可以抑制RALF33小肽引起的活性氧产生（图2A），并且促进花粉在柱头的水合（图2B）。通过各种生化实验体系，发现PCP-Bγ小肽能够将FER-RALF33复合物中的RALF33小肽竞争下来，而与FER互作结合（图2C）。
图2. 图PCP-Bs竞争RALF33结合FER/ANJ受体激酶
“面对和预期相反的表型，我们打破常规，采用逆向思维，找到了最关键的解决思路。”李超说，“经过整合FER/ANJ受体激酶信号通路调控活性氧以及授粉引起柱头乳突细胞活性氧下降这两条关键线索，我们理清了花粉通过抑制柱头受体激酶信号通路而发生识别的机制。”课题组最终发现，受体激酶感知和切换不同类型的小肽配体，精准调控了柱头对花粉的识别。
图3. 花粉小肽抑制柱头受体激酶信号通路调控水合的模式图
持续4年研究 创新团队平均年龄29岁
该研究通讯作者李超博士2016年获我校“青年高层次人才计划（双百计划）”支持，在我院建立独立课题组，开展植物受体激酶调控生殖发育的分子机理相关研究。这是平均年龄只有29岁的年轻团队，十余人的团队仅用了4年的时间，就完成了这项需要积累大量样本和检测数据重要研究工作。
李超科研团队
这支团队日以继夜，克服了疫情期间实验材料短缺、植物可操作周期短和实验技术难度大等重重困难。对于李超博士来说，在做出实验顶层设计的同时，更重要的是持续鼓励学生拓展实验思路、探索和试错，在第一时间帮助学生分析问题，带领团队把握每一个实验的技术细节和数据处理。
第一作者刘晨是李超团队的首位博士研究生。他尝试多种方法，不断练习，最终采用显微操作和激光共同聚焦观察，解决了单个花粉粒引起乳突细胞局部活性氧降低的实验体系；经过荧光标记效率、反应体系pH和蛋白最适浓度等实验条件的反复摸索，最终发现了PCP-B小肽和RALF33小肽存在直接的竞争关系。
“而研究的工作量是巨大的，一次实验要剥开50个左右的柱头，单个柱头处理和观察需要1个小时左右进行拍照取证，所有图片需要测量分析才能得到结果，而这样的结果需要多次反复论证才能下结论……每一结果都是通过这样的大量多次实验得到。”刘晨回顾时说。
期间，课题组还得到清华大柴继杰教授课题组、美国马萨诸塞大学Alice Y. Cheung教授课题组和国家蛋白质中心张江实验室的支持，以及国家自然科学基金的资助。
“该机制的发现对于杂交育种中克服远源杂交障碍，得到优良品种具有重要意义。”在谈到这项重要基础研究成果的应用前景时，李超表示，“农业研究中，我们可以利用花粉-柱头的特异性识别机制，通过杂交将不同种属植物的优良性状整合到一起，得到高产优质高抗的品种。”
附：Science发文链接
“PCP-B peptides unlock a stigma peptide–receptor kinase gating mechanism for pollination”
https://science.sciencemag.org/content/372/6538/171.full
原新闻出处链接：
https://news.ecnu.edu.cn/07/a6/c1837a264102/page.htm
人民日报报道链接：
https://wap.peopleapp.com/article/6173428/6076872
新民晚报报道链接：
https://wap.xinmin.cn/content/31935039.html
中国日报中文网报道链接：
http://sh.chinadaily.com.cn/a/202104/09/WS606fb2dfa3101e7ce9748483.html
拟南芥突变体共享中心 植物科学文化传播与学术交流平台报道链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/4DCohTi3fGFFEUj3lCT9jg
文汇报报道链接：
http://wenhui.whb.cn/zhuzhan/kjwz/20210409/399398.html?timestamp=1617962026846
科学网报道链接：
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/4/455730.shtm
光明日报报道链接：
https://wap.gmdaily.cn/article/0df3b086e92b4f6490023a8a7696922b
新华社报道链接：
https://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/9898314?channel=weixin
中国新闻网报道链接：
https://m.chinanews.com/wap/detail/chs/zw/9451515.shtml
中国科学报报道链接：
http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?id=35936
学习强国平台报道链接：