花粉管喜欢“吃脂肪酸” ！研究揭示花粉管生长的生物能学机理

花粉管是生长最快的植物细胞。它的生长过程消耗了大量的能量，这涉及到质体、细胞质和线粒体之间的能量转化。然而，花粉管是如何获得能量的，花粉质体在这一过程中起着怎样的生物学作用，目前尚不清楚。2022年12月19日，香港大学林文量（Boon Leong Lim）课题组在Nature Communications发表题为“Bioenergetics of pollen tube growth in Arabidopsis thaliana revealed by ratiometric genetically encoded biosensors”的研究论文。研究人员开发了第二代吡啶核苷酸比例生物传感器，发现花粉质体在将外源糖的碳和能量转化为脂肪酸（fatty acids，FAs）以实现花粉管快速生长方面发挥着重要作用，提出了支持花粉管生长和花粉质体中FA生物合成的能量来源模型。

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35486-w

研究人员开发了mCherry-SoNar/iNAPs生物传感器，将ATP生物传感器At1.03及其无反应对照生物传感器At1.03R122K/R126K定位于生长花粉管的质体或细胞质（图1a），发现细胞质中的ATP浓度高于质体间质（图1b，c），说明质体不是花粉中ATP的主要来源。线粒体复合物I抑制剂鱼藤酮可引起胞质和间质ATP水平轻度但显著降低（图1d，e），因此线粒体是ATP提供主要来源。

图1 生长花粉管ATP的来源

在非光合质体中NADPH的产生也有两个可能的来源：非氧化磷酸戊糖途径（oxidative pentose phosphate pathway，OPPP）和NADP苹果酸酶（NADP-ME）。在花粉萌发培养基中孵育4 h后，nadp me4突变体的花粉粒的花粉管比WT短（图2a-d），花粉中NADP-ME4功能的丧失导致质体内NADPH水平的轻度下降（图2e，f）。因此，NADP-ME4是花粉管生长所必需的，并为花粉质体提供NADPH。接着，研究人员明确了OPPP是否也在花粉质体内产生NADPH。在较宽的浓度范围内（10-500 μM），OPPP抑制剂6-AN对花粉管的萌发和生长没有显著影响，尽管较高剂量（5 mM）的处理导致花粉管变短但变宽（图2h-j）。此外，在WT背景下，5 mM 6-AN处理30分钟并没有降低TKTP-mCherry-iNAP4生物传感器的质体NADPH水平（图2e，f），进一步支持了NADP-ME4是生长花粉管质体中主要NADPH提供者的观点。然而，在nadp-me4突变体中阻断OPPP加剧了其花粉管生长缺陷（图2）。因此，OPPP和NADP-ME通路都为花粉管生长提供NADPH，但NADP-ME是质体中NADPH的主要来源。

图2 花粉质体中NADPH的来源

在花粉质体中，丙酮酸可以通过转位子BASS2（SODIUM SYMPORTER FAMILY PROTEIN2）从细胞质中导入，也可以通过苹果酸的氧化脱羧或磷脂烯醇丙酮酸（PEP）在质体糖酵解过程中合成。NADP-ME4对苹果酸的氧化脱羧是NADPH的主要来源，NADPH也应该为质体提供大量的丙酮酸。鉴于此，研究人员探究了花粉管生长的质体中丙酮酸的来源。结果表明，由于质体糖酵解提供了大量的基质ATP，苹果酸脱羧和质体糖酵解都为花粉质体提供丙酮酸。但是，丙酮酸脱氢酶旁路在拟南芥花粉管生长中不是必需的。

FA的组成部分乙酰辅酶A（acetyl-CoA）可以分别由丙酮酸或乙酸通过PDH旁路的pPDH或ACS1催化生成。90 μM AEP（PDH抑制剂）处理的花粉发芽率较低，花粉管略短，而5 μM双硫仑（ALDH抑制剂）处理显著降低了花粉萌发率和花粉伸长，并导致花粉管尖端破裂（图3a-d）。因此，质体PDH旁路途径是花粉管生长过程中为FA生物合成提供乙酰辅酶A的关键通路，而双硫仑对花粉管生长的抑制可能是由于对多种ALDHs的一般性和非特异性抑制。在PDH旁路途径中，乙醛被ALDH转化为醋酸酯。研究发现，乙醛可能在线粒体中被ALDH2B7转化为乙酸，而在质体中则不。acs突变体中缺乏生长缺陷，表明PDH旁路在拟南芥花粉管生长中不是必需的，这使得质体PDH通路成为FA生物合成中乙酰辅酶A的关键来源。

图3 质体PDH和PDH旁路在花粉管生长中的作用

在非光合质体中有五种可能的NADH来源：质体糖酵解、pPDH、pNAD-MDH（NAD-malate dehydrogenase）、质体ALDH和pPGDH（质体3-磷酸甘油酸脱氢酶）。研究发现，拟南芥中编码质体酶的两个ALDHs（AtALDH3I1和AtALDH10A8）在花粉管中不表达，排除了乙醛转化为乙酸在质体中释放NADH的可能性。此外，AEP和双硫仑处理降低了细胞质和质体的NADH/NAD+比值，但没有降低NADPH水平（图4a-d）。这表明质体PDH通路和线粒体ALDH分别在质体和线粒体中提供大量的NADH。进一步研究发现，pPGDH1的转录水平在花粉管中明显上升。pPGDH通路应该是花粉管生长丝氨酸的主要来源，因为没有光呼吸作用。因此，质体糖酵解和pPDH，可能还有pPDGH是花粉管生长过程中NADH的主要来源。

图4 花粉质体中NADH的来源

综上所述，研究人员通过监测拟南芥（Arabidopsis thaliana）花粉管亚细胞水平上ATP和NADPH浓度的动态变化以及NADH/NAD+比值，揭示了花粉管生长的能量代谢的过程，并说明了花粉质体如何获得ATP、NADPH、NADH和乙酰辅酶A进行脂肪酸生物合成（图5）。与烟草和百合等其他植物相比，植物的发酵作用（fermentation）和丙酮酸脱氢酶旁路在拟南芥花粉管生长中不是必需的。

图5 拟南芥花粉管生长的生物能学模型

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35486-w

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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