GAUT基因参与花粉管细胞壁合成的分子机理

In flowering plants, the pollen tube generated from the vegetative cell of the pollen grain is essential for delivery of male gametes to the female gametophyte in sexual reproduction. Studies have shown that biosynthesis of the pollen tube wall is involved in the regulation of pollen tube growth. Although it is important for pollen tube growth, the molecular mechanisms that control pollen tube wall biosynthesis remain largely unknown. GAUT genes, which encode galacturonosyltransferases (GalATs), are required for the synthesis of pectin, a family of complex polysaccharides present in the cell walls of all land plants. The primary cell wall at the pollen bube tip is mainly composed of pectin. We have identified that GAUT13 and GAUT14 genes are highly expressed in the development of male gametophyte in Arabidopsis; and their heterozygous double mutants display that the polar growth of the pollen tubes is abnormal and repressive, the tip of pollen tube is swelled. In this project, we mainly study the functional characterization of GAUT13 and GAUT14 genes. At first,their mutations of these GAUT genes on the development of male gametophyte will be detailed observed. Then, the role of these GAUT gens on the pectic biosynthesis of pollent tube wall will be analyzed. Furthmore, the interacted protein of GAUT enzymes will be identified or isolated. This project aims to understand new molecular mechanisms that regulate the biosynthesis of the pollen tube wall in order to provide the academic data for studies on the polar growth of pollen tube, the biosynthesis of plant cell wall and the molecular design of crop genetic breeding.

显花植物由花粉粒的营养细胞产生的花粉管，是把精子传递到雌配子体进而完成有性生殖必不可少的，而花粉管的极性生长离不开花粉管细胞壁的生物合成，但目前对调控花粉管壁合成的机制还了解得有限。已有的研究显示体细胞壁的生物合成中半乳糖醛基转移酶GAUT家族与果胶的重要组成成分同聚半乳糖醛酸聚糖合成相关。果胶是花粉管外壁的主要成分，前期工作我们鉴定到拟南芥GAUT家族GAUT13和GAUT14基因在雄配子体中高表达，它们的杂合双突变体花粉管生长明显异常，其顶端膨大，极性生长受到抑制。在本项目中我们以这两个GAUT基因为研究对象，观察它们的突变体在雄配子体发育过程中的突变表型；分析GAUT基因在花粉管细胞壁生物合成中的作用；分离与GAUT酶相互作用的蛋白。以期揭示GAUT基因调控花粉管壁生物合成的分子机制，为研究花粉管的极性生长、植物细胞壁合成的分子机制以及作物遗传育种的分子设计提供理论资料。

在显花植物中，花粉管生长对于植物完成双受精作用十分重要，而花粉管的极性生长离不开花粉管细胞壁的生物合成，但是目前对花粉管细胞壁合成尤其是果胶合成的分子机制了解得还很少。已有的研究显示体细胞壁的生物合成中半乳糖醛基转移酶GAUT家族与果胶的重要组成成分同聚半乳糖醛酸聚糖（HG）合成相关，果胶是花粉管外壁的主要成分。本项目通过研究预测的在拟南芥花粉中高表达的GAUT13和GAUT14基因的功能，探索其在花粉管生长过程和植物发育过程中果胶合成的分子机制。.GAUT13和GAUT14基因在成熟的花粉粒和花粉管中高表达。遗传分析结果显示，在gaut13和gaut14单突变体中，雄配子和雌配子的传递都未受到明显的影响。在gaut13和gaut14单突变体的杂交后代中，只能获得gaut13 gaut14一纯一杂双突变体，雄配子的传递被阻断了，表明GAUT13和GAUT14基因功能存在冗余性。表型分析显示， GAUT13和GAUT14双突变严重地影响花粉管的生长。在体内和体外条件下，gaut13 gaut14双突变体花粉管出现肿胀的表型，花粉管壁呈现出内外壁分层不明显，花粉管外壁未见规则的纤维状排列，以及花粉管肿胀处细胞壁变薄等特点。多糖抗体JIM5和JIM7免疫荧光染色结果显示，gaut13 gaut14 花粉管中果胶HG的分布发生了变化。gaut13 gaut14双突变体的表型能够分别被正常的GAUT13或GAUT14基因所互补。GAUT13和GAUT14蛋白定位于高尔基体中。. 通过花粉拯救实验特异地在gaut13 gaut14双突变体花粉中表达GAUT13或GAUT14，获得PRgaut13 gaut14双纯合突变的小苗，小苗的生长发育出现严重异常，几乎不能长出真叶，根十分短小，下胚轴和子叶细胞间粘附出现重大缺陷。利用多糖抗体JIM5、JIM7、LM10和LM11进行免疫荧光染色显示，小苗的下胚轴中果胶HG和木聚糖的分布出现异常。糖含量的化学分析结果显示，在PRgaut13 gaut14小苗中，木糖的含量有所降低。.上述结果表明GAUT13和GAUT14基因通过参与花粉管壁和体细胞果胶和木聚糖的合成在植物的发育过程中发挥着重要的作用。该项目的研究结果为花粉管细胞壁合成、植物发育以及GAUT基因功能的研究提供了重要的实验证据。