科研团队Cell发文揭示植物“自救”新机制

中国科学院遗传与发育生物学研究所李红菊研究组发现了雌配子直接通过分泌花粉管吸引信号恢复受精的机制，回答了为什么双受精失败，胚珠会持续吸引花粉管这一问题，也为回答自然界有些物种的助细胞在进化中丢失提供了线索，并为通过人工授粉挽救濒危物种提供了理论参考，相关研究于北京时间2023年7月28日在线发表于《细胞》。审稿人评价“这项工作很重要”“这一研究发现了一个意料之外的中央细胞的功能”。

植物开花受精发育形成果实是人类熟知的自然规律，也为人类提供了赖以生存的重要“口粮”。然而，人们对植物开花受精规律的认识，是一个逐步靠近真相的漫长过程。早在1904年，人们就观察到了植物开花受精过程中的一种极具生命力的现象—受精恢复（fertilization recovery）。这一现象指的是，植物的雌配子受精失败后，胚珠会吸引额外的花粉管运送来新的精细胞，以确保受精成功。自1904年植物的受精恢复被发现以后，植物如何感知雌配子受精失败进而启动受精恢复，成了延续百年的科学之问。

被子植物的胚囊被包裹在胚珠中，一般包含两个助细胞、两个雌配子（一个卵细胞和一个中央细胞，受精后分别发育成胚胎和胚乳），以及三个反足细胞。过去20年的研究发现，助细胞分泌花粉管吸引信号，在植物受精中发挥重要作用。然而李红菊研究组发现通过生物技术获得的缺失助细胞的胚珠，受精恢复机制可以不依赖助细胞，确保植物繁殖成功。那么受精恢复的秘密到底藏在哪里呢？研究人员想到了中央细胞。

李红菊研究员和杨维才院士的早期研究工作证实中央细胞参与花粉管吸引。在此基础上，研究人员通过转录组分析方法，确定了97个候选小肽并进行体外纯化再通过体外花粉管吸引实验进行一一验证，最终筛选出SALVAGER1(SAL1)和SAL2这两个具有花粉管吸引能力的信号分子。在体内条件下，也进一步证明它们具有花粉管吸引能力，并且SAL1/2能够直接结合在花粉管的质膜上。有趣的是，研究人员发现SAL1/2在受精前定位于中央细胞。但当助细胞吸引能力缺陷或者在受精过程中被突变花粉管破坏，研究人员观察到SAL1/2定向分泌到胚珠珠孔，到达株孔外的株柄上。这意味着从空间分布上取得了SAL1/2可以作为吸引信号引导花粉管从株柄到达胚囊的证据。

为进一步证实这一新发现，研究人员利用基因编辑技术构建了研究SAL1/2功能的拟南芥突变体。实验结果显示，中央细胞SAL1/2花粉管吸引过程，与已知的助细胞花粉管吸引过程存在功能冗余，并表明SAL1/2是雌配子控制的受精恢复机制的主效基因。

李红菊研究组通过抽丝剥茧层层论证，最终证明SAL1/2在助细胞失效时被分泌到珠孔外，发挥吸引花粉管的功能，也直接证明了中央细胞通过分泌SAL1/2直接参与植物的受精恢复机制。

此外，研究团队对拟南芥的近缘种琴叶拟南芥也开展了类似研究，并且得到了同样的结论。这表明中央细胞通过SAL控制植物受精补偿的机制在植物中可能是一种普遍存在的机制

遗传发育所孟姜果博士、徐银娇博士、王玮琦博士和在读博士生杨菲为共同第一作者。李红菊研究员为通讯作者，杨维才院士参与指导了此项工作。该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和先导专项的资助。