【PNAS】交叉学科！福建农林开发用于研究花粉管机械信号响应机制的微流控芯片系统

植物在生长发育的各个阶段都会受到机械刺激调控。被子植物双受精过程中，花粉管需要穿过柱头-花柱-引导组织等各类雌蕊组织，再导向至胚珠完成生殖过程。由于雌蕊各部分组织的结构和机械特性均有所不同，花粉管必须监测和区分各类机械刺激的模式、水平和持续时间，并迅速做出适当的反应，以在穿过雌蕊过程中保持完整性。

在过去的几十年中，许多参与花粉管完整性的关键因子都是通过在体外固体培养基上培养花粉管来获得证明，但一些突变体在体外和体内条件下却表现出不同的表型。目前还不清楚体内外不一致的表型是由雌雄间化学信号互作还是由机械力信号引起的。能够模拟体内机械微环境、操纵机械刺激以及区分生化信号与机械信号的工具将有助于解答这一问题。

2023年11月27日，福建农林大学海峡联合研究院朱晓玥教授团队与福建农林大学海峡联合研究院/中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所周翔副教授合作在国际知名期刊PNAS杂志发表了题为 “SPA, a Stigma-style-transmitting tract Physical microenvironment Assay for investigating mechano-signaling in pollen tubes” 的研究论文。该研究建立了一种模拟柱头-花柱-引导组织的力学微环境培养系统，在体外再现了花粉管在穿过雌蕊组织生长时受到的压力变化，并利用此系统鉴定出了花粉管在穿出花柱进入引导组织的过程中维持自身完整性的新调控因子GEF8/9/11/12/13。该研究暗示体内和体外维持花粉管完整性的信号通路可能存在差异，强调了模拟机械微环境的必要性。

研究团队开发了新一代能够高度模拟体内花粉管生长路径的微流控芯片并建立了“SPA” （Stigma-style-transmitting tract Physical microenvironment Assay）系统。通过在体外模拟雌蕊的体内机械微环境，最终在微流控芯片中实现野生型花粉管接近0%、bups1-6接近90%的破裂率，近乎完美重现了体内的表型。而且SPA系统中较高的花粉管载量显著提升研究效率，便于评估机械力变化对体内花粉管生长行为的影响。

图2 拟南芥雌蕊结构以及与之对应的SPA系统设计，以实现芯片中花粉管的高载量实验。

该研究通过在微流控芯片中液体培养花粉管，为研究体内机械信号响应机制提供了一个高效的平台。未来，SPA将有望用于大规模突变体筛选，鉴定出更多参与不同类型机械刺激响应的基因，为机械信号感知领域提供崭新的研究手段。

福建农林大学未来技术学院海峡联合研究院代谢组学研究中心/中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所周翔副教授、福建农林大学未来技术学院海峡联合研究院代谢组学研究中心硕士研究生韩文博、戴家威为共同第一作者，周翔副教授与福建农林大学未来技术学院海峡联合研究院代谢组学研究中心朱晓玥教授为该论文的共同通讯作者。福建农林大学生命科学学院研究生刘素娟，河北师范大学生命科学学院郭毅教授，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室徐铁刚教授及博士生高式沅为该文做出了重要贡献。该项研究得到了国家自然科学基金项目、福建省自然科学基金项目以及福建农林大学的资助。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2314325120

转自：“iPlants”微信公众号

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