近日，Nature杂志在线发表了美国加州大学伯克利分校栾升团队题为“A receptor-channel trio conducts Ca2+ signaling for pollen tube reception”的研究论文，该研究进一步完善了植物花粉管接收信号的机理，为研究细胞信号转导提供了一个新的思路。
钙离子信号作为第二信使，在植物和动物的众多生命活动中发挥重要作用，包括生殖过程。在动物有性生殖中，钙离子信号对受精极为重要，如人类精子特异钙离子通道CatSper可以介导胞外钙离子内流，从而增加精子胞内钙离子浓度，进而诱导精子进行趋化运动（Hwang et al., 2019）。而在植物双受精的过程中，花粉管作为精核的载体，需要响应来自胚珠的吸引信号进行长距离生长，并准确进入胚珠珠孔，随后和助细胞相互识别（花粉管接收），最终花粉管破裂释放精核、完成双受精。从花粉粒萌发、花粉管定向生长到花粉管接收和破裂，每一步都离不开钙离子信号，但是钙离子信号的产生机理并不清楚（Johnson et al., 2019）。
在花粉管接收过程中，花粉管会诱导胚珠助细胞产生胞内钙离子浓度震荡，随后助细胞胞内钙离子浓度上升并维持较高水平，引导花粉管穿透助细胞且破裂释放精子。但是胚珠助细胞中的三个基因（类受体激酶FER、共受体LRE和一个未知功能蛋白NTA）任何一个敲除后，花粉管都不能引起助细胞钙离子浓度上升（Denninger et al., 2014; Ngo et al., 2014），导致花粉管过度生长，不能释放精子。这一现象成为该团队阐明花粉管接收过程中钙离子信号产生机理的出发点。
类受体激酶FER 能够识别一种小肽RALF1，从而引起根细胞内钙离子浓度上升，说明RALF-FER信号通路至少在根细胞里与钙离子密切相关（Haruta et al., 2014）。尽管大量研究表明RALF信号对植物雌雄配子相互识别也特别重要（Ge et al., 2017; Zhong et al., 2022），但在该过程中RALFs-FER与钙信号的关系还不清楚。既然助细胞中的类受体激酶FER、共受体LRE和未知功能蛋白NTA突变后，花粉管不能诱导助细胞钙离子浓度上升，那么有没有可能是花粉管分泌的RALF小肽结合到助细胞的受体FER和共受体LRE上，从而激活某种钙离子通道，介导钙离子内流，从而引起细胞中的钙离子浓度上升呢？
首先，该团队发现花粉管分泌的RALF的确可以与FER结合并可以诱导助细胞产生钙信号。而且这种钙信号也依赖FER-LRE-NTA。那么RALF-FER-LRE-NTA是怎样激活助细胞里的钙通道呢？寻找这一类钙离子通道，成为回答这一问题的关键。而未知功能蛋白NTA引起这个长期从事膜转运研究团队的极大兴趣：NTA（AtMLO7）和其它MLO家族成员都具有多个跨膜区，具有形成转运蛋白的可能性。该团队用单细胞钙离子成像技术检测了拟南芥中15个MLO成员、大麦HvMLO和小立碗藓PpMLO2和PpMLO3（分别代表双子叶植物、单子叶植物及初等陆生植物），看它们是否具有转运Ca2+的能力。结果表明，在COS7细胞中，AtMLO2、 3、4、10、12、大麦MLO、小立碗藓MLO2 和MLO3能介导Ca2+进入细胞。随后，他们又用膜片钳技术直接检测到了AtMLO2和HvMLO的钙离子通道活性。最终，该团队得出结论：很多MLO蛋白确实具有钙离子通道的功能。
但是，单独表达NTA（AtMLO7）并没有产生钙离子通道活性。之前有研究表明，当花粉管到达胚珠时，FER和LRE可以将助细胞内的NTA重新定位于一种特殊的细胞膜结构——丝状器上（Kessler et al., 2010）。该团队的确发现将NTA单独表达在COS7细胞时，NTA蛋白主要定位于内部细胞器上，而与FER和LRE共表达后，NTA就定在质膜上并产生了钙离子通道活性。
至此，花粉管接收的信号通路就更加明晰了。当花粉管中的信号RALFs被助细胞上的FER感知以后，FER-LRE将胞内的NTA招募到细胞膜上，形成一个有活性的钙离子通道复合体，介导胞外的Ca2+进入助细胞，进而诱导花粉管破裂和精子释放。该团队进而发现，当胞内Ca2+浓度过高时，呈Ca2+结合态的钙调素（CaM）会与NTA的CaM结合区域结合，抑制Ca2+内流，形成一个反馈抑制从而产生胞内Ca2+浓度的震荡。
综上所述，该研究在植物生殖领域和细胞信号转导层面都有重要意义，主要表现在以下几个方面：
进一步完善了花粉管接收的机理；
MLO（mildew locus O）最早发现与植物真菌抗性有关，后来发现该家族的众多成员参与了植物免疫、共生、根机械刺激感应和植物生殖等众多生理过程，但是MLO的生化功能几十年来一直是个谜，而MLO钙通道身份的揭开破解了这一谜团，也必将促进整个领域的研究工作；
长久以来，动物中的很多钙离子通道在植物中找不到类似家族，使得人们误以为植物中的钙离子通道种类很少，但是MLO钙通道的发现打破了这一固有认知，即植物中的钙离子通道并不是种类稀少，而是它们进化出了不同于动物的钙离子通道家族。这为科学家们研究细胞信号转导提供了一个新的思路；
受体-通道连体系统代表了信号和Ca2+通道偶联的一种新机制，该机制不仅在植物中，也可能在其他真核生物如真菌和动物中广泛存在并起重要作用。
加州大学伯克利分校植物和微生物系博士后高起飞为论文第一作者，同一实验室的王超、席亚升、邵巧琳以及首都师范大学李乐攻教授参与了这一项目，栾升教授为该论文通讯作者。这是栾升和李乐攻合作团队发现参与免疫功能的钙通道（Tian et al., 2019）之后，在钙信号领域的又一重要突破。在研究钙通道怎样编码钙信号的同时，他们也致力于破解细胞内钙信号的解码机制 （Tang et al., 2020; Luan and Wang, 2021）。该团队希望有更多的年轻博士、博士后加盟，一起发现、破解更多植物钙信号的奥秘。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04923-7
转自：植物科学最前沿
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