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植物受精的“丘比特之箭”

来源/作者:alax   发表时间:2016-04-13 10:33:11  
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  最近,日本名古屋大学的一组科学家成功地发现了AMOR——一个糖链分子,可增加植物的受精效率。他们发现,AMOR负责激活花粉管,以促使受精。这项研究结果发表在4月8日的《Current Biology》。

 

最近,日本名古屋大学的一组科学家成功地发现了AMOR——一个糖链分子,可增加植物的受精效率。他们发现,AMOR负责激活花粉管,以促使受精。此外,通过生物学家和化学家们之间的合作,该研究小组已经合成了一种二糖,即双糖,其表现出与AMOR相同的属性。这一发现将带来研究的进步,提高植物受精效率以及碳水化合物化学研究。延伸阅读:PLOS:确保精卵受精成功的蛋白质。

日本名古屋大学的Akane Mizukami 博士和Tetsuya Higashiyama教授,和他们的同事们,将这项研究结果发表在4月8日的《Current Biology》,在这项研究中,他们成功识别了一个可激活花粉管响应引诱剂分子(可促进植物的受精)的糖链。在今年3月份,该研究小组刚刚在《Nature》杂志发表论文,解开了植物成功受精之谜,相关阅读:Nature解开植物成功受精之谜。

当花粉粒(雄性生殖器官)在雌蕊(雌性生殖器官)上萌发时,一条花粉管生长通过雌蕊。有许多研究表明,有一种化合物存在于雌蕊内,其激活花粉管响应受精引诱剂,就像雌性器官发出来的一种爱情魔药,来吸引雄性的性器官。然而,这种物质的实际性质一直是个谜。

Higashiyama的研究团队和他的同事们使用夏堇(Torenia fournieri)作为一种模式植物,第一次成功识别出了花粉管的催化剂。这种催化剂是由阿拉伯半乳聚糖组成,这是一种特定的植物糖链。该研究小组将其命名为Activation Molecule for Response-Capability (AMOR),取自于拉丁语,意思“爱”和“丘比特”,从而说明其功能是把雌性和雄性器官聚合到一起,促进植物的受精。

在这项研究中,该研究小组还报道称,在AMOR末端的两个糖单位,是负责花粉管激活有助于吸引分子的有效成分。因此,通过与合成化学家Jiao Jiao博士和Junichiro Yamaguchi博士合作,该研究团队合成了一种二糖,由甲基-葡糖醛酸和半乳糖联系在一起。他们发现,新合成的分子可激活花粉管响应引诱剂分子,并促使成功受精。

Higashiyama说:“我们首次展示,这个末端二糖负责植物细胞之间的信号转导。这可能会促使开发新的方法,来提高植物受精效率,并为使用合成化学方法在植物中研究碳水化合物打开新的途径。”

对于种子植物(被子植物)中的受精来说,花粉在雌蕊上授粉是非常必要的,其次是花粉管发芽和生长,穿过雌蕊,最终将精子细胞传递给包含卵细胞的胚珠。一旦经过雌蕊后,花粉管就接收各种物质,如植物激素和糖蛋白。

在哺乳动物中,一种现象称为精子获能(sperm capacitation),其中精子被来自雌性器官的物质所激活,我们已经对此了解了很长一段时间。因此,许多研究正在探究其分子机制。同样在植物中,也报道过一种现象,其中花粉管接收卵细胞附近的两个助细胞产生的引诱剂分子,以增加它们的导管朝着卵细胞生长,并导致受精。然而,花粉管如何变得能够响应引诱剂的分子机制,尚不明确。

本文共同作者Akane Mizukami指出:“在这项研究中,我使用了Torenia fournieri植物,来开发新实验,测试哪些因素导致花粉管获得对引诱剂分子的响应能力。”Torenia fournieri的独特之处在于,卵器——包含卵细胞和两个助细胞,突出于胚珠。

Mizukami描述说:“通过这种方法测量Torenia花各个部分的活性,我们发现了AMOR——使花粉管获得响应助细胞产生的引诱剂分子的能力。”

通过纯化AMOR,该研究小组发现,AMOR包含一个叫做阿拉伯半乳聚糖的糖链。此外,通过使用一种消化酶,在不同的部分特定切割阿拉伯半乳聚糖糖链,该研究小组发现,一种二糖——包含一种甲基-葡糖醛酸单位,位于阿拉伯半乳聚糖的末端,对于AMOR的活性是必不可少的。

总而言之,这项新研究揭示了AMOR的存在,负责控制花粉管对引诱剂分子响应能力的糖分子,这对于植物成功受精是至关重要的。阿拉伯半乳聚糖糖链普遍存在于植物的细胞壁中,被认为参与细胞内的各种信号转导。然而,确定糖链上活跃位点的有效分析方法,尚未很好地建立起来,糖链结构的确切作用也没有完全阐明。

 

推荐原文摘要:
The AMOR Arabinogalactan Sugar Chain Induces Pollen-Tube Competency to Respond to Ovular Guidance
Summary: Precise directional control of pollen-tube growth by pistil tissue is critical for successful fertilization of flowering plants [ 1–3 ]. Ovular attractant peptides, which are secreted from two synergid cells on the side of the egg cell, have been identified [ 4–6 ]. Emerging evidence suggests that the ovular directional cue is not sufficient for successful guidance but that competency control by the pistil is critical for the response of pollen tubes to the attraction signal [ 1, 3, 7 ]. However, the female molecule for this competency induction has not been reported. Here we report that ovular methyl-glucuronosyl arabinogalactan (AMOR) induces competency of the pollen tube to respond to ovular attractant LURE peptides in Torenia fournieri. We developed a method for assaying the response capability of a pollen tube by micromanipulating an ovule. Using this method, we showed that pollen tubes growing through a cut style acquired a response capability in the medium by receiving a sufficient amount of a factor derived from mature ovules of Torenia. This factor, named AMOR, was identified as an arabinogalactan polysaccharide, the terminal 4-O-methyl-glucuronosyl residue of which was necessary for its activity. Moreover, a chemically synthesized disaccharide, the β isomer of methyl-glucuronosyl galactose (4-Me-GlcA-β-(1→6)-Gal), showed AMOR activity. No specific sugar-chain structure of plant extracellular matrix has been identified as a bioactive molecule involved in intercellular communication. We suggest that the AMOR sugar chain in the ovary renders the pollen tube competent to the chemotropic response prior to final guidance by LURE peptides.

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