水稻花粉外壁纹饰特征建立关键基因的功能分析

The pollen exine is a hydrophobic multiple-layer outer surface surrounding the pollen grain. The ornamentation pattern of pollen exine is highly variable among different species, which is essential for pollen-stigma recognition and adhesion during pollination. Sporopollenin is the major component of the pollen exine. Many progresses have been made in understanding the mechanism of biosynthesis and translocation of sporopollenin precursors. However, how sporopollenin deposits and forms the species-specific exine ornamentation on the surface of the pollen remains largely unknown. We identified a rice male sterile mutant, designated pad1, which shows normal sporopollenin precursor production and translocation but aberrant pollen exine ornamentation. PAD1 encodes a grass specific lipid binding protein. To understand the molecular mechanism underlying pollen exine pattern formation in grass, we plan to further investigate the function of PAD1 and its homologs. We will analyze gene expression pattern, protein localization and the impact of the absence of PAD1 like genes on the ornamentation pattern formation in grass. In addition, the bioactivity, protein structure and interacting proteins of PAD1 like proteins will be assayed to clarify how they guide the deposition of sporopollenin precursors on the pollen surface. This study will provide clues to solve the scientific mystery of highly variable pollen exine pattern formation.

花粉外壁是花粉表面特有的疏水性结构，在不同植物中呈现出高度多样性的纹饰特征，这种多样性是植物授粉过程中雌雄识别的重要基础之一。孢粉素是花粉外壁的主要化学成分，虽然目前孢粉素合成和转运过程的研究已取得了很大进展，但目前对于孢粉素是在花粉表面形成物种特异性纹饰的具体分子机制了解得还很少。我们分离到了一个水稻不育突变体pad1，表型分析表明该突变体中孢粉素合成和转运没有受到影响，但花粉外壁纹饰不能正常形成。序列分析表明PAD1编码一个禾本科植物所特有的脂类结合蛋白。本项目拟在已有工作基础上，分析PAD1及其同源基因的表达特征、蛋白定位，以及突变后对花粉外壁纹饰形成的影响，提出这些基因控制水稻花粉外壁形成的具体步骤；另外，我们拟对这些蛋白的生化活性,蛋白结构和互作蛋白进行分析，来进一步阐明这些蛋白控制纹饰形成的具体机制。这项研究将为解开植物花粉外壁物种特异性纹饰形成这一科学谜题提供重要线索。

花粉外壁是花粉表面特有的疏水性结构，在不同植物中呈现出高度多样性的纹饰特征，这种多样性是植物授粉过程中雌雄识别的重要基础之一。孢粉素是花粉外壁的主要化学成分，虽然目前孢粉素合成和转运过程的研究已取得了很大进展，但目前对于孢粉素是在花粉表面形成物种特异性纹饰的具体分子机制了解得还很少。本研究在前期工作中分离到了一个水稻不育突变体epad1，表型分析表明该突变体中孢粉素合成和转运没有受到影响，但花粉外壁纹饰不能正常形成。本研究进一步克隆了EPAD1基因，发现EPAD1 编码一个禾本科特异的 Type G nsLTP。EPAD1的突变不影响孢粉素以及初生外壁组分的合成和转运，但破坏了四分体时期初生外壁层的连续性和均质性，以及初生柱状层的规则排布，进而改变了孢粉素在花粉表面的组装方式和最终的花粉外壁模式，导致花粉败育。EPAD1特异地在花粉母细胞至早期小孢子中表达，并且四分体时期EPAD1从细胞质中被重新定位到细胞膜上，参与初生外壁层的形成。本研究工作证明 EPAD1 蛋白的N段信号肽和所包含的3个功能冗余的糖基化磷脂酰肌醇锚定区(GPI-anchor) 位点在EPAD1蛋白锚定在四分体和早期小孢子细胞膜表面过程中发挥重要功能。体外蛋白功能分析发现EPAD1能够结合多种磷脂分子，因此认为EPAD1和定位在膜微区的磷脂分子通过招募相关蛋白，维持初生外壁层的连续性和均质性。其他禾本科植物中EPAD1同源基因的蛋白序列和表达模式均较为保守，而且小麦中直系同源基因TaMS1突变后同样也表现出花粉外壁异常，说明EPAD1的同源基因可能在调控禾本科特异的花粉外壁模式形成过程中具有保守功能。本项目的研究工作首次证明来源于花粉的、物种特异性遗传因子参与外壁纹饰建成过程，为解开植物花粉外壁物种特异性纹饰形成这一科学谜题提供了重要线索。在项目执行期内，发表研究论文3篇，培养研究生3人，博士后1人。