Plant Communications | 河南大学张学斌团队解析花粉耐热新机制

孢粉素是植物花粉外壁的主要成分，能够帮助雄配子抵御各种环境胁迫，被认为是早期植物向陆地定植的关键。苯丙烷类衍生物，被证明是孢粉素的结构组成。然而由于孢粉素结构的复杂和极强的化学惰性，同时受分析手段的限制，其确切的化学组分仍然未完全解析，合成机制仍需要进一步探索。

2023年9月9日，Plant Communications在线发表了河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室张学斌教授团队题为“Maize and Arabidopsis VAMP726 confers pollen resistance to heat and UV radiation by influencing lignin content in sporopollenin”的研究论文。该研究发现来自玉米和拟南芥花粉细胞壁的孢粉素中存在常见的H，G，S三种木质素单体，并确定VAMP726是孢粉素中木质素含量的遗传调节因子。调控VAMP726的表达能够极大地影响花粉对热和紫外线辐射的抵抗力。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100682

该研究首先通过硫代酸解法，对玉米和拟南芥花粉的孢粉素的化学组成进行了详细解析。对其裂解产物进行核磁共振（NMR）以及气相色谱串联质谱（GC-MS）的检测，分析了其中的中苯丙烷类衍生物的种类和含量。确定了H，G，S三种木质素单元均是玉米和拟南芥孢粉素的结构成分，且H单元是孢粉素中木质素的主要形式（图1）。该组成形式极具特点，和常规的植物次生细胞壁的结构组成有很大区别。

图1：H，G，S三种木质素单元是玉米孢粉素的结构组分

以孢粉素中木质素的含量为性状指标，对115份玉米自交系群体进行全基因组关联分析（mGWAS），作者发现囊泡转运相关蛋白VAMP726参与孢粉素中木质素含量的调控，影响花粉对高温及紫外辐射的抗性，并且该机制在单子叶植物玉米及双子叶植物拟南芥中功能保守（图 2）。

图2：mGWAS解析调控孢粉素中木质素积累的遗传因子

木质素前体首先在细胞内合成，随后被转运至细胞壁上，再经位于细胞壁上的酶催化聚合形成木质素聚合物。该研究发现，超表达VAMP726使质外体中参与木质素聚合的过氧化物酶（PRX4，PRX25，PRX49和PRX53）增多，木质素前体（p-coumaryl alcohol）减少（图3）。

图3：超表达VAMP726导致参与木质化的过氧化物酶在质外体中积累

根据上述结果，我们提出如图4所示的模型：在花粉发育过程中，VAMP726介导包括过氧化物酶（PRXs）、木质素单体等从绒毡层细胞向外的运输，促进游离的木质素前体聚合到花粉表面，从而提高孢粉素中木质素的含量，最终赋予花粉对高温及紫外辐射的抗性。

图4：VAMP726参与孢粉素合成调控的模式图

河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室张学斌教授为该论文的通讯作者，青年教师禹坷为共同通讯作者，博士后杨文奇、硕士研究生姚冬冬（已毕业）、博士研究生段海洋（河南农业大学）为该论文的共同第一作者。本研究中GC-MS以及蛋白质组学分析依托于河南大学多组学联合研究中心。本研究得到国家自然科学基金、河南省高等学校重点科研项目的资助。

张学斌现为河南大学生命科学学院教授，博士生导师。团队的研究主要聚焦于植物酚类化合物合成与代谢及多组学联合解析其在植物逆境适应中的分子机理。课题组长期致力于建立完善的作物多组学研究体系，组建了《河南大学多组学联合研究中心》、《河南省作物逆境多组学国际联合实验室》，目前已经建立了包括：非标记定量蛋白质组学，标记定量蛋白质组学，修饰蛋白质组学，非靶向代谢组学、拟靶向代谢组学、靶向代谢组学、激素组学、脂质组学、完整细胞壁成分鉴定体系等组学方法体系。欢迎对多组学技术感兴趣的老师、同学交流、合作。课题组常年招收博士后和硕博士研究生，欢迎对多组学尤其是代谢组学方向感兴趣的同学加入。

图文来源：植物科学最前沿公众号

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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