解决长期争议！北京大学瞿礼嘉/钟声组揭示植物双受精过程中是卵细胞or中央细胞先受精、亦或是同时受精？

在被子植物的生殖过程中，花粉管爆裂把两个精细胞同时送入雌配子体中，其中一个精细胞与卵细胞融合受精形成胚胎，而另一个精细胞与中央细胞融合受精形成胚乳；由于卵细胞受精在所有植物中都是保守的，而中央细胞受精仅仅是在被子植物中才新近演化出来的，因此，双受精是被子植物所特有的有性生殖方式。双受精事件是植物的种子以及禾谷类作物中胚胎/胚乳发育的基础，植物的种子以及禾谷类作物的胚乳为人类提供了大部分的植物性食物和牧畜饲料，因此，被子植物的双受精过程对人类的生活和食物安全具有重要的意义。

双受精过程中有一个基本的科学问题：这两次受精事件是否有偏好性？这个科学问题可以分为两个层面，一个层面是两个雄配子（精细胞）之间是否有“受精选择性”，另一个层面是两个雌配子（卵细胞和中央细胞）之间是否有“受精优先性”。对于第一个层面的科学问题，之前的研究已经基本证明，在花粉中带有两个同型雄配子（精细胞）的植物种（如拟南芥）中，两个精细胞的功能和活性相同，它们之间在哪一个会选择特定的雌配子（卵细胞还是中央细胞）进行受精这方面是随机的，没有选择性。对于第二个层面的科学问题，即到底是“卵细胞先受精、还是中央细胞先受精、亦或是同时受精”，在植物生殖生物学领域内长期存在争论，多年来这一科学问题悬而未决。

近日，北京大学瞿礼嘉/钟声课题组在JIPB上在线发表了题为“The egg cell is preferentially fertilized in Arabidopsis double fertilization”（http‍s://doi.org/10.1111/jipb.13370）的“突破性报告”（Breakthrough Report）。该论文成功分离出只含有一个类精细胞的cdka;1花粉，利用单细胞测序和体内的受精实验证明，cdka;1类精细胞具有与野生型精细胞类似的基因表达模式以及融合雌配子进行受精的能力。随后通过限量授粉以及过量授粉的实验证明，cdka;1花粉中的那一个类精细胞会优先与卵细胞融合受精，从而澄清了这一双受精过程中长期悬而未决的重要科学问题（图1）。

长期以来，由于显微镜观察技术以及植物材料的局限性，有关“卵细胞和中央细胞到底谁先受精”这个问题的研究结果有些相互矛盾。由于两个精细胞在很短的时间内完成双受精，因此显微观察很难清晰地分辨两次受精事件，所以前人的研究中既有“两个雌配子的受精没有先后顺序”的结论，也有“精细胞与卵细胞的融合比与中央细胞的融合早2.5~15分钟”的结论，甚至还有研究认为“中央细胞先受精”。本来可以通过用含有单个类精细胞的突变体（例如cdka;1）花粉进行受精来直接比较出哪一个雌配子优先受精。但是前人在研究中得出不同的结论，其中一个主要原因就是前人用来授粉的都是cdka;1杂合突变体的花粉，也就是说在实验使用的花粉中有一半突变体花粉，还有一半是野生型花粉，因此，很难在角果中准确统计受精与否的比例。还有一个原因，就是在2012年之前，人们还不知道受精补偿现象的存在，即第一根花粉管带来的精细胞如果没有成功受精的话，会有第二根花粉管再带来两个精细胞来进行受精补偿。由于cdka;1突变体花粉中只有一个类精细胞，第一根花粉管只会送出一个类精细胞，因此第一根花粉管爆裂之后类精细胞只会进行单受精，也就是说，肯定会启动受精补偿机制，吸引第二根花粉管过来进行第二轮受精尝试。因此，受精补偿现象的存在，使在有突变体和野生型两种花粉参与的cdka;1杂合体花粉授粉实验中对于受精事件的统计变得非常复杂，多种不同原因的受精事件混杂在一起，容易分不清楚，这也就是之前的使用cdka;1杂合体花粉的研究得出互相矛盾结论的原因之一。

为了克服以往研究中的这一局限性，瞿礼嘉/钟声课题组创新性地采用荧光标记互补策略从杂合体花粉粒中分离出了cdka;1花粉粒，他们通过单细胞测序分析发现cdka;1的类精细胞与野生型的精细胞具有高度相似的基因表达模式，支持cdka;1的类精细胞是有功能的雄配子的结论。之后，他们用分离出的cdka;1突变体花粉粒，首先进行限量授粉（即只授与胚珠数相等数量的花粉），从而保证即使启动受精补偿机制也没有多余的花粉粒提供花粉管去进行第二轮受精。他们发现，在限量授粉的每个胚珠中只有一根花粉管进入并释放出单个类精细胞，避免了受精补偿对于受精事件的统计的影响。

令人吃惊的是，他们发现，释放出来的单个类精细胞有98.6%都会与卵细胞进行单受精。当用cdka;1花粉粒进行过量授粉时，花粉粒足够多，受精补偿机制使得胚珠有机会吸引第二根花粉管并提供第二个类精细胞来进行第二轮受精补偿；他们发现，胚珠中的卵细胞都受精了，同时也有20%左右的中央细胞也受精了，从而得到双受精产生的正常的种子。因此，授粉实验证明，cdka;1突变体花粉中的那个类精细胞具有与卵细胞和中央细胞两种雌配子都进行融合受精的能力，但它优先与卵细胞进行融合受精。以上这些遗传证据清楚地支持了“卵细胞优先受精”的结论，解决了这个长期存在争议的科学问题。

图1 利用cdka;1授粉澄清卵细胞受精的优先性

cdka;1花粉粒只含有单个与野生型精细胞高度相似的类精细胞。限量授粉向胚珠提供一个类精细胞时，只有卵细胞受精；过量授粉时，通过受精补偿提供的第二个类精细胞使中央细胞也受精，最终完成双受精。

在该论文中，博士后李玲、已毕业的侯赛莹博士和博士生项薇为该论文的共同第一作者，瞿礼嘉教授和钟声副研究员为共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心以及中国科协青年人才托举工程项目的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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