Plant Physiol | 西南大学何光华/王楠课题组揭示水稻花粉壁形成的新机制

来源：BioArt植物

水稻花药的发育是一个复杂又精细的过程，直接关系到植株的育性和生殖行为。水稻花药的发育包括雄蕊原基的形成、花药壁层的建立、造孢细胞的分化、小孢子母细胞减数分裂、绒毡层细胞程序性死亡、配子体细胞有丝分裂、花粉多糖代谢与内含物形成、花粉内外壁形成、花药开裂与花粉萌发等过程，涉及大量基因的表达与调控。因此，发掘新的调控因子并阐明其遗传途径对水稻花药的发育具有重要意义。

     近日，西南大学水稻研究所何光华/王楠课题组在Plant Physiology上发表了题为“POLLEN WALL ABORTION 1 is essential for pollen wall development in rice”的研究论文，解析了一个未知功能的含coiled-coil结构域的表达蛋白参与水稻花粉壁形成的调控途径，进而调控花粉育性的新机制。

该研究通过EMS诱变筛选并分离到了一个雄性不育突变体pwa1(pollen wall abortion 1)，突变体花粉败育的原因主要集中在缺陷的花粉壁上，与野生型花粉相比，突变体花粉内壁缺失造成花粉管不萌发，花粉外壁柱状层缺失造成外壁外层和外壁内层融合，导致花粉被填充失败。相对于花粉外壁，pwa1突变体花粉内壁缺陷似乎更加严重。通过遗传分析、基因克隆、互补验证和敲除验证等手段验证PWA1编码一个保守的含有CC结构域的表达蛋白，定位于细胞核，在花药的绒毡层和小孢子中均有表达。pwa1突变体的基因突变发生在外显子与内含子边界处，是mRNA剪接的重要失败位点，该基因突变导致PWA1基因的mRNA剪接发生异常，最终产生四种不同类型的pwa1突变蛋白。这四种突变蛋白仍定位在细胞核，但CC结构域均被破坏。

    CC结构是蛋白互作的经典结构域。进一步研究分析发现，PWA1与花药发育重要转录因子TIP2存在互作关系。由于剪接异常产生的四种类型的pwa1突变蛋白与TIP2不发生互作，表明PWA1与TIP2的互作依赖于CC结构域。TIP2转录因子被报道参与花药发育减数分裂前期的花药壁层分化、绒毡层细胞调亡和减数分裂、花药开裂等过程，是一个贯穿花药发育的重要转录因子。由于之前报道的tip2突变体表型相对严重，无花粉产生。我们通过crisper-cas9敲除得到一个突变表型相对较弱的tip2-1突变体，通过对tip2-1的研究发现TIP2可能调控PWA1的表达。进一步实验证明了TIP2直接结合PWA1启动子调控PWA1的表达。遗传学水平建立的tip2-1 pwa1双突与tip2-1单突表型接近，也证明TIP2位于PWA1上游。但tip2-1 pwa1双突具有相对于两个单突tip2-1和pwa1更严重的花药外壁，表明TIP2与PWA1可能共同参与对花药外壁的调控。对 pwa1突变体的表型分析，PWA1主要参与花粉壁的形成，尤其是花粉内壁。关于PWA1如何参与花粉内壁的调控，研究进一步发现PWA1具有转录活性，比较转录组和相关基因的表达，PWA1可能通过直接激活花粉内壁形成关键基因Os12BGlu38的表达而参与对花粉内壁的调控。该研究发现了一个新组分调控水稻花粉的发育，为杂交水稻育种提供了新资源。

TIP2转录因子调控PWA1的表达，并与PWA1发生互作，共同参与对花药外壁的调控；PWA1具有一定的转录激活活性，通过Os12BGlu38参与对花粉内壁的调控

西南大学水稻研究所何光华教授和王楠副教授为本文通讯作者，博士生张莉莎、硕士生刘杨、博士生委刚为本文共同第一作者。硕士生雷霆、本科生伍靖雯、郑林涛、马宏蕾也参与了本研究。本研究得到国家自然科学基金面上项目、重庆市博士生创新项目等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiac435