DG1调控拟南芥花粉发育及花粉管与柱头互作的分子机理研究

The interaction between pollen and stigma is the key step for pollination recognition, which is involved in the determination of pollen germination on stigma and pollen tube growth in stigma tissue. In our previous study, we isolated an Arabidopsis mutant dg1 (defective pollen tube growth1) showing defective pollen development. The pollen with the downregulated expression of DG1 could germinate on the surface of the stigma but the pollen tube could not grow into the stigma tissue, which indicates DG1’s function for the interaction between the pollen tubes and the stigma during pollination recognition. DG1 is a homolog of the AP2M subunit of Arabidopsis endocytosis AP2 complex. And our primary study indicates that DG1 is involved in clathrin-mediated endocytosis during pollen growth. In this project, we will investigate 1) the cargo proteins which are involved in DG1-mediated endocytosis; 2) the roles of DG1 for the development of pollen grains; 3) the function of DG1 in the regulation of the interaction between pollen tubes and stigma. We wish our results could provide new view on the functions of endocytosis in pollen development and pollination recognition.

花粉与柱头的相互作用是植物授粉识别过程的关键步骤，决定花粉能否在柱头表面萌发以及花粉管能否生长进入雌蕊组织。我们在前期的研究中鉴定到一个拟南芥花粉败育突变体dg1（defective pollen tube growth1）。下调DG1基因的表达，花粉能够在柱头表面萌发，但是花粉管不能生长进入雌蕊组织。表明DG1调节花粉的发育以及花粉管与柱头组织的互作，在授粉识别过程中起作用。DG1是拟南芥内吞复合体亚基AP2M的同源蛋白，初步分析表明，DG1可能参与了花粉管生长过程中网格蛋白介导的内吞。本项目将在前期工作的基础上，深入研究DG1调节花粉发育和花粉管生长的分子机理，主要研究内容包括：1）DG1参与内吞的货物蛋白；2）DG1在调控花粉发育中的作用；3）DG1在调控花粉管与柱头互作中的作用机理。研究的结果将有助于进一步理解内吞在调控花粉发育和授粉识别过程中作用机制。

被子植物花粉在柱头表面的萌发与生长依赖花粉与柱头的相互识别。研究表明网格蛋白介导的内吞在调控花粉管生长中起作用。但是花粉管的内吞作用调控花粉管与雌蕊组织互作的分子机制还不清楚。. 拟南芥DG1/TML基因编码一个内吞复合体亚基，参与网格蛋白介导的内吞。DG1/TML在萌发后的花粉管中表达，定位于花粉管的亚顶端细胞质及质膜。我们发现在花粉中降低DG1/TML的表达水平，花粉的萌发率及花粉管长度均未出现明显差异，说明DG1/TML的下调表达并不影响花粉在体外的萌发。但是，下调DG1/TML的表达破坏花粉管穿过柱头组织的能力。. 酵母双杂交筛选与DG1/TML互作的蛋白，发现PME21与DG1/TML互作。蛋白的体外Pull-down分析进一步证明PME21与DG1/TML互作。PME21基因从12时期开始在花粉及花粉管中高量表达，这与DG1/TML在花粉/花粉管中的表达模式一致。对PME21的亚细胞定位进行观察发现，PME21分布在花粉的萌发孔以及花粉管的顶端。为了研究PME21在花粉管生长过程中的作用，我们构建了PME21的RNAi基因株系，下调PME21的表达。发现下调PME21的表达，破坏花粉管穿过柱头组织的能力。. DG1/TML和PME21之间存在直接的互作，暗示PME21可能是DG1/TML参与内吞的货物蛋白。为此我们观察了PME21-mCherry和TML-YFP的共定位情况，发现DG1/TML和PME21在花粉管顶端侧面存在共定位。此外，下调DG1/TML表达后PME21在花粉管顶端的定位消失或是向后延伸，由此表明PME21在花粉管顶端的定位可能受DG1/TML参与的内吞过程调控。这些结果表明，DG1/TML可以通过内吞PME21来调控PME21在花粉管中的定位，调控花粉管在雌蕊组织中的生长。