中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李紅菊研究組發(fā)現(xiàn)了雌配子直接通過分泌花粉管吸引信號恢復(fù)受精的自救機(jī)制，回答了為什么雙受精失敗，科研胚珠會持續(xù)吸引花粉管這一問題，團(tuán)隊(duì)也為回答自然界有些物種的發(fā)文助細(xì)胞在進(jìn)化中丟失提供了線索，并為通過人工授粉挽救瀕危物種提供了理論參考，揭示相關(guān)研究于北京時(shí)間2023年7月28日在線發(fā)表于《細(xì)胞》。植物制新審稿人評價(jià)“這項(xiàng)工作很重要”“這一研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意料之外的新機(jī)學(xué)網(wǎng)中央細(xì)胞的功能”。

植物開花受精發(fā)育形成果實(shí)是聞科人類熟知的自然規(guī)律，也為人類提供了賴以生存的自救重要“口糧”。然而，科研人們對植物開花受精規(guī)律的團(tuán)隊(duì)認(rèn)識，是發(fā)文一個(gè)逐步靠近真相的漫長過程。早在1904年，揭示人們就觀察到了植物開花受精過程中的植物制新一種極具生命力的現(xiàn)象—受精恢復(fù)（fertilization recovery）。這一現(xiàn)象指的新機(jī)學(xué)網(wǎng)是，植物的雌配子受精失敗后，胚珠會吸引額外的花粉管運(yùn)送來新的精細(xì)胞，以確保受精成功。自1904年植物的受精恢復(fù)被發(fā)現(xiàn)以后，植物如何感知雌配子受精失敗進(jìn)而啟動(dòng)受精恢復(fù)，成了延續(xù)百年的科學(xué)之問。

被子植物的胚囊被包裹在胚珠中，一般包含兩個(gè)助細(xì)胞、兩個(gè)雌配子（一個(gè)卵細(xì)胞和一個(gè)中央細(xì)胞，受精后分別發(fā)育成胚胎和胚乳），以及三個(gè)反足細(xì)胞。過去20年的研究發(fā)現(xiàn)，助細(xì)胞分泌花粉管吸引信號，在植物受精中發(fā)揮重要作用。然而李紅菊研究組發(fā)現(xiàn)通過生物技術(shù)獲得的缺失助細(xì)胞的胚珠，受精恢復(fù)機(jī)制可以不依賴助細(xì)胞，確保植物繁殖成功。那么受精恢復(fù)的秘密到底藏在哪里呢？研究人員想到了中央細(xì)胞。

李紅菊研究員和楊維才院士的早期研究工作證實(shí)中央細(xì)胞參與花粉管吸引。在此基礎(chǔ)上，研究人員通過轉(zhuǎn)錄組分析方法，確定了97個(gè)候選小肽并進(jìn)行體外純化再通過體外花粉管吸引實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一一驗(yàn)證，最終篩選出SALVAGER1(SAL1)和SAL2這兩個(gè)具有花粉管吸引能力的信號分子。在體內(nèi)條件下，也進(jìn)一步證明它們具有花粉管吸引能力，并且SAL1/2能夠直接結(jié)合在花粉管的質(zhì)膜上。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)SAL1/2在受精前定位于中央細(xì)胞。但當(dāng)助細(xì)胞吸引能力缺陷或者在受精過程中被突變花粉管破壞，研究人員觀察到SAL1/2定向分泌到胚珠珠孔，到達(dá)株孔外的株柄上。這意味著從空間分布上取得了SAL1/2可以作為吸引信號引導(dǎo)花粉管從株柄到達(dá)胚囊的證據(jù)。

為進(jìn)一步證實(shí)這一新發(fā)現(xiàn)，研究人員利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建了研究SAL1/2功能的擬南芥突變體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中央細(xì)胞SAL1/2花粉管吸引過程，與已知的助細(xì)胞花粉管吸引過程存在功能冗余，并表明SAL1/2是雌配子控制的受精恢復(fù)機(jī)制的主效基因。

李紅菊研究組通過抽絲剝繭層層論證，最終證明SAL1/2在助細(xì)胞失效時(shí)被分泌到珠孔外，發(fā)揮吸引花粉管的功能，也直接證明了中央細(xì)胞通過分泌SAL1/2直接參與植物的受精恢復(fù)機(jī)制。

此外，研究團(tuán)隊(duì)對擬南芥的近緣種琴葉擬南芥也開展了類似研究，并且得到了同樣的結(jié)論。這表明中央細(xì)胞通過SAL控制植物受精補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制在植物中可能是一種普遍存在的機(jī)制

遺傳發(fā)育所孟姜果博士、徐銀嬌博士、王瑋琦博士和在讀博士生楊菲為共同第一作者。李紅菊研究員為通訊作者，楊維才院士參與指導(dǎo)了此項(xiàng)工作。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。

SALVAGER負(fù)責(zé)受精恢復(fù)機(jī)制模式圖

（原標(biāo)題：遺傳發(fā)育所李紅菊研究組發(fā)現(xiàn)植物受精恢復(fù)新機(jī)制）