拟南芥VILLIN5调节花粉管生长的分子机理研究

花粉管生长为精细胞提供通道，最后把两个不能运动的精细胞成功地送入胚囊中以完成高等植物的双受精过程。过去的研究表明微丝细胞骨架是花粉管生长一个非常重要的调节因子。但有关花粉管中微丝细胞骨架的组织和动态如何调控我们还知道的很少。其中villin是一类非常重要的肌动蛋白结合蛋白，最先从小肠绒毛细胞中分离得到。但有关植物villin的生化性质和生理功能研究的不是特别清楚，本项目拟综合生化、细胞和遗传等多种研究手段功能解析花粉特异表达的AtVLN5，以理解AtVLN5在花粉管中调节微丝细胞骨架动态组装的作用机制，从而理解花粉管中微丝细胞骨架排布及动态组装的调控方式，最后为我们理解微丝细胞骨架调节花粉管生长的分子机理提供重要的理论依据。同时该研究将丰富我们理解villin蛋白家族的普遍作用机制。

花粉管生长是开花植物有性生殖过程中一个非常重要的步骤。过去的研究表明微丝细胞骨架对花粉管生长行使非常重要的调控作用。有关花粉管中微丝细胞骨架的组织和动态如何受严格调控是植物生殖生物学一个非常重要的生物学问题。研究花粉微丝结合蛋白的功能和作用机制是解析该问题的关键。其中villin是一类非常重要的微丝结合蛋白，在真核细胞中对微丝高级结构形成和微丝动态行为的调控起着关键的作用，但有关植物villin的生化性质和细胞生理学功能的研究不是特别清楚。因此，本项目从解析花粉中高度表达的拟南芥VILLIN5(VLN5)的功能和作用机制入手对villin在花粉管中的功能和作用机制进行了详细解析。主要的研究发现包括：（1）体外生化分析发现VLN5和VLN2是具有多种调控微丝的活性，具有使微丝成核、加帽、成束的活性以及依赖于钙离子的微丝切割活性，并首次发现这一类蛋白的微丝切割活性能被生理浓度的钙离子激活暗示villin介导的微丝切割活性可能具有生理学意义；（2）发现VLN5在花粉管中标记和稳定微丝，但VLN5的功能缺失并没有影响花粉管中微丝的整体排布；（3）首次详细定量描述了花粉管顶端微丝的存在状态和动态，为理解花粉管顶端微丝细胞骨架的可能功能提供了基础；（4）发现VLN5与VLN2在花粉管中存在一定程度的功能冗余，协作调控花粉管中微丝的动态和组织；通过其切割和成束活性调控亚顶端衣领状微丝结构形成和顶端微丝的快速动态周转，该研究首次为villin蛋白在体内切割微丝提供了直接的细胞学证据；（5）分析了两个营养型villin基因VLN2和VLN3的生物学功能和作用机制，表明它们的成束功能对胞内微丝组织和厚壁组织发育是重要的，把花粉管中的相关研究结果拓展到了其它细胞类型，加深了对植物villin蛋白功能和普遍作用机制的理解。综上所述，本项目的研究为我们理解微丝细胞骨架调节花粉管生长的分子机理提供了重要的科学理论依据，同时该研究也丰富了我们对villin蛋白家族的普遍作用机制的理解。在该课题的资助下，我们在Plant Cell上发表2篇论文，在Plant Journal上发表1篇论文；培养博士研究生2名和硕士研究生1名。