银杏传粉滴分泌以及与花粉相互作用机理研究

Pollination drops are ovular secretions during the process of sexual reproduction in gymnosperms. The functions of pollination drops are involved in pollen captures, transportations and germinations. They thus play an important role in gymnosperm sexual reproduction. However, studies of pollination drop are hampered by the short period of pollination, small size and poor accessibility of the drop. Research on pollination drops in gymnosperms still stay in morphological observation and constituent analysis, and the interaction mechanism is unclear. In the present study, we will take the advantage of our culture method of pollination drop of Ginkgo biloba and sufficient experimental materials from our Ginkgo base to investigate the secretion of pollination drops and its functional mechanism as follows: (1) We will observe the dynamics of ultrastructure and cytochemistry of the secrete cells during pollination. (2) We will analyse the transcriptome of secrete cells. (3) We will furether explore the composition and functional protein in polliantion drops and pollen. The expected outputs will unravel the secretion of pollination drops and pollen recognition mechanism in G. biloba at the cytological, biochemical and proteomic levels, and will provide valuable reference for revealing the underlying mechanism of pollination drops-pollen interactions in gymnosperms.

传粉滴是裸子植物有性生殖过程中胚珠产生的分泌液，主要功能是捕获花粉，维持花粉活力，并通过收缩将其运输至胚珠体内萌发，从而完成授粉过程，因而传粉滴在裸子植物生殖过程中起重要作用。但由于裸子植物传粉期短、试验取材困难、传粉滴收集量少等原因，一直制约着传粉滴功能的研究。目前裸子植物传粉滴分泌和功能研究还停留在形态学观察和成分分析阶段。本项目利用银杏实验基地优势，以及前期建立的室内培养传粉滴技术，围绕银杏传粉滴分泌以及传粉滴与花粉识别的关键问题，着重开展以下研究：(1)传粉过程中胚珠珠心组织分泌细胞的细胞化学研究；(2)珠心组织参与调控传粉滴分泌的转录分析；(3)传粉前后传粉滴和花粉的成分和功能蛋白的差异分析。本项目研究结果将从细胞学、转录组学和蛋白质组学层面揭示调控银杏传粉滴分泌的分子机理，以及有可能参与识别花粉的物质成分，为阐释裸子植物传粉滴与花粉互作机理这一重要科学问题提供理论依据。

本项目以传粉前、传粉期以及传粉后三个时期的银杏胚珠为实验材料，通过细胞学、转录组学以及蛋白组学能技术开展了以下研究：(1)对传粉过程中银杏胚珠的珠心组织以及传粉过程继续了细胞学观察，发现传粉前胚珠珠心组织的顶端细胞相继发生细胞分裂增生、细胞纵向伸长、细胞程序性死亡等过程，最终在传粉期形成开口与珠孔道和珠孔相连的贮粉室，授粉后花粉在贮粉室内停留，并经较长时间才开始萌发花粉管，授粉结束后贮粉室开口闭合。(2)分离出银杏胚珠珠孔处的传粉滴，建立了传粉滴的小RNA文库，鉴定到45 个已知 miRNAs 和 550 个新的 miRNAs，潜在靶点分析表明，miRNAs 可能参与碳水化合物代谢、激素信号、次生代 谢产物的生物合成和防御反应等。进一步对传粉前后的胚珠进行转录组学测序以及外源激素喷施处理实验，明确了赤霉素和茉莉酸参与了银杏传粉滴的分泌。(3)对银杏传粉滴进行了代谢组学检测，其主要成分糖、有机酸等物质。体外花粉培养实验证明传粉滴是花粉萌发的必要介质，此外，传粉滴还具有显著的抑菌功能，可确保花粉在长时间的萌发和生长过程中不受微生物的影响。在传粉滴中还鉴定到细胞钙调素、丝氨酸羧肽酶、天冬酰胺蛋白酶等多种促进花粉管生长的信号蛋白，以及1,3-β葡糖苷酶、阿拉伯半乳糖蛋白和几丁质酶等多种防御相关蛋白；而花粉内壁中与花粉萌发和生长相关蛋白大多在与传粉滴的水合阶段才合成，显示出传粉滴对花粉萌发和保护花粉的重要作用。上述研究结果从细胞学、转录组学和蛋白质组学层面揭示调控银杏传粉滴分泌的分子机理，传粉滴成分以及在花粉萌发和生长过程的功能。