文章標題：Auxin boosts energy generation pathways to fuel pollen maturation in barley

發表期刊：Current Biology

發表時間：2022.3

影響因子：10.834

研究背景
在谷類作物中，花粉強烈依賴母孢子體組織獲得資源，但成熟花粉的營養細胞也存在自身的能量產生、淀粉合成、萌發和花粉管生長機制。目前尚不清楚是何種信號激活了這種機制的及時表達，以及這些信號是來自孢子體還是花粉顆粒。百趣代謝組學文獻解讀，先前研究顯示成熟的水稻花藥中積累了高水平的生長素，并在花粉中特異地表達生長素合成和信號基因。然而，目前研究僅表明生長素過高對水稻雄蕊成熟有害，其在谷物花粉成熟中發揮的主要功能尚不清楚。為了解花粉成熟過程中的調控和運行機制，本文對所涉及的因素進行深入研究。通過對大麥雄性不育基因38(MSG 38)的功能分析表明，花粉粒自主產生生長素，生長素在促進淀粉生成和其他花粉成熟過程是必需的。

研究結果
1、Msg38突變體在花粉淀粉積累方面存在缺陷
為確定溫帶谷物中花粉成熟所需的因素，對大麥msg突變體進行研究。與Bowman組相比，msg 38突變體雖不育，但其營養發育無明顯缺陷(圖1A)；花藥形態在雄蕊成熟過程中表現正常，但在花藥開裂階段出現異常(圖1B)；花粉有活力(圖1C)，但未出現淀粉和鉀的顯色反應(圖1D和1E)，鉀離子被認為可以產生滲透梯度，使花粉快速水化；花粉在花藥開裂階段停止膨脹(圖1F和1G)；花粉的質體中幾乎觀察不到淀粉顆粒，裂解液泡持續存在，小液泡呈現空腔狀態(圖1H和1I)。百趣代謝組學文獻解讀，這一結果表明，MSG38是大麥花粉有絲分裂的非必需基因，但它對于花粉成熟過程中的液泡動力學以及淀粉和鉀的積累至關重要，這些過程可能促使花粉膨脹和水合，轉而增加對花藥壁組織的壓力以促進花藥開裂。
 

圖1. Msg 38突變體的表型特征

2、MSG38編碼與生長素合成有關的YUCCA家族黃素單加氧酶
通過圖位克隆法及轉錄組檢測確定MSG38基因，該基因能夠編碼一種YUCCA家族黃素單加氧酶(HvYUC4)(圖2A-C)。YUC家族成員可以催化吲哚-3-丙酮酸(IPyA)生成生物活性生長素吲哚-3-乙酸(IAA)(圖2D）。
 

圖2. MSG38編碼參與生長素合成的黃素單加氧酶

通過靶向代謝組學對生長素代謝產物進行分析，驗證MSG38/HvYUC4是否參與大麥雄蕊成熟過程中生長素的合成。百趣代謝組學文獻解讀，與Bowman組相比，msg38雄蕊在成熟階段過度積累IPyA及其前體L-色氨酸(Trp)；從小孢子期(W8.25-W8.5)到花粉成熟(W9.25-W9.35)IAA和2-羥基吲哚-3-乙酸(OX-IAA)保持在較低水平(圖3)。該結果表明，MSG38/HvYUC4在大麥雄蕊成熟過程中催化IAA的直接形成。
 

圖3. Bowman 和msg38花序(W8)和雄蕊(所有其他階段)生長素相關代謝物的定量

3、MSG38/HvYUC4為花粉特異性蛋白
通過qRT-PCR、RNA原位雜交等技術對MSG38/HvYUC4進行檢測，發現在Bowman與msg38突變體中，MSG38/HvYUC4轉錄本豐度不同(圖4A)。在不同時期花藥不同部位進行檢測時，發現MSG38/HvYUC4主要分布于花粉粒和維管組織(圖4B)。百趣代謝組學文獻解讀，由MSG38/HvYUC4內源啟動子驅動的MSG38-熒光蛋白融合也從W9開始，定位于花粉中(圖4C)，并恢復msg38-2突變體的育性(圖4D)。這些結果表明，MSG38/HvYUC4僅在花粉粒中發揮作用，催化局部生長素的產生并推動花粉成熟。
 

圖4. MSG38/HvYUC4在花粉成熟過程中的表達

4、MSG38/HvYUC4促進花粉成熟過程中的能量代謝
轉錄組分析結果顯示， 64%差異表達基因在msg 38突變體中呈現下調(圖5)，除生長素應答基因外，編碼異養ATP生成的大部分基因及三個淀粉合成基因下調(圖6A和6B)。百趣代謝組學文獻解讀，通過機器學習預測，msg38突變體中下調的多數能量和淀粉代謝基因上游攜帶生長素應答轉錄調控因子ARFs結合位點(圖6C和6D)。靶向代謝組學分析發現，W9.35時期的msg38雄蕊傾向于過量積累蔗糖、葡萄糖和果糖(圖6E)。因此，生長素信號不是光合產物輸入雄蕊所必需的，而是蔗糖分解和糖酵解代謝所必需的。相應的，在msg38雄蕊中發現較低水平的糖酵解產物丙酮酸，以及TCA循環兩種重要代謝物檸檬酸和琥珀酸，導致雄蕊中淀粉顯著降低(圖6E-F)。這些結果表明，生長素主要通過促進能量生成所需基因的表達來促進大麥花粉中淀粉的合成。

此外，msg38突變體中編碼淀粉降解酶、轉運體、細胞骨架和信號轉導成分的多數基因也出現下調，這些基因是典型的成熟花粉轉錄物（圖6A）。轉錄組富集分析表明，生長素誘導這些基因表達，以促使花粉成熟。
 

圖5. W9.25和W9.35期Bowman和msg38雄蕊轉錄組學分析
 

圖6. 生長素促進大麥雄蕊的能量代謝

結論
本研究發現生長素激素在大麥花粉成熟過程中是必不可少的，幾乎可以促進編碼異養能量產生途徑（從糖的運輸和降解到ATP合酶活性）每一步基因的表達。因此，生長素對于蔗糖和己糖進入糖酵解以及增加丙酮酸和兩種TCA循環代謝物（檸檬酸和琥珀酸）的水平是必需的。此外，具有生物活性的生長素由花粉定位酶HvYUCA4合成，支持花粉粒自主產生生長素，以刺激特定的細胞輸出、能量生成，從而促進成熟過程。百趣代謝組學文獻解讀，這些結果表明，生長素可以改變中心碳代謝來驅動植物細胞發育，也體現了生長素促進生長和分化的直接機制。

文/阿趣代謝組學