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New Phytologist | 李磊课题组揭示孢粉素聚合的分子机制

     2023年3月30日,北京大学太阳集团城网站2018、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室李磊课题组在New Phytologist杂志在线发表了题为“Microspore expressed SCULP1 is required for p-coumaroylation of sporopollenin, exine integrity, and pollen development in wheat”的研究论文。该研究发现了小麦多铜氧化酶SCULP1参与孢粉素酚类单元聚合、维持花粉外壁完整性的功能,揭示了小孢子利用铜元素合成孢粉素的机制。

     铜元素是植物小孢子形态建成阶段所必需的微量营养元素,但小孢子发育如何利用铜元素的分子机制仍有待探究。另一方面,为小孢子提供保护的花粉外壁结构,是陆生植物的共有演化特征,具有抗氧化、抗紫外线辐射和抵御病原入侵等物理和化学屏障作用。花粉外壁的主要组分孢粉素是最难降解的生物高聚物之一,其前体在绒毡层中合成的机理已较为清晰,但负责孢粉素前体在小孢子表面聚合的功能蛋白和调控机制仍不清楚。

 

图1. 小麦TaSCULP1基因时空表达模式

 

     该研究通过比较转录组的方法鉴定到种子植物中保守的、小孢子特异表达的多铜氧化酶SCULP(SKS clade universal in pollen)。选取小麦TaSCULP1进行表达模式分析,发现其在单核期和二核期小孢子外壁特异表达(图1),这是已知孢粉素前体聚合阶段,也与小孢子对铜元素的关键需求时期相吻合。纯化的TaSCULP1可以结合孢粉素酚类单元对香豆酸,通过遗传、化学分析和三维重构证明TaSCULP1是孢粉素对香豆酰化和小麦花粉外壁基粒棒结构的起始与生长以及花粉成熟所必需的(图2)。以上结果揭示了孢粉素前体聚合过程中的小孢子自主功能,为花粉外壁图案形成和孢粉素生物工程合成奠定了基础。

 

图2. TaSCULP1的功能分析

     北京大学李磊研究员和北京市农林科学院赵昌平研究员、唐益苗研究员为论文共同通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生徐磊与北京市农林科学院唐益苗研究员为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北大-清华生命联合中心的资助。

 

论文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18917

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