李超团队揭示小肽—受体激酶调控花粉与柱头识别的分子机理

开花植物怎样识别本物种的花粉而阻止其他物种的花粉萌发和受精呢?这一过程受到雌性器官和雄性器官之间相互作用的精准调控。柱头与花粉的识别是雌性器官和雄性器官的第一次信息交流，可确保本种属的亲和性花粉水合和萌发，而阻止远源花粉和真菌孢子等萌发。在过去的几十年中，科学家在自交不亲和植物阻止自身花粉萌发的机制研究中取得了重要进展，而对柱头识别亲和性花粉的机制却知之甚少。

2021年4月9日，华东师范大学生命科学学院李超课题组在Science发表了题为PCP-B peptides unlock a stigma peptide–receptor kinase gating mechanism for pollination的研究论文，揭示了柱头和花粉相互识别的分子机理。该研究以十字花科中的模式植物拟南芥为研究对象，发现花粉通过其覆盖物中的PCP-B小肽竞争柱头中的RALF33小肽，从而抑制柱头中RALF33-FER/ANJ受体激酶信号通路维持的活性氧水平，从而影响花粉水合的分子机理。

该研究发现，拟南芥雌蕊柱头的乳突细胞中存在活性氧的积累，授粉能够引起乳突细胞中活性氧水平降低。对活性氧抑制剂和清除剂处理的柱头授粉后发现，柱头活性氧水平降低促进花粉水合。来自花粉覆盖物的PCP-Bγ(POLLEN COAT PROTEIN B-class)小肽处理野生型柱头能够引起乳突细胞的活性水平降低;对PCP-Bγ 处理的野生型柱头授粉，发现花粉的水合速率显著加快。柱头乳突细胞中CrRLK1L受体激酶家族成员FER(FERONIA)和ANJ(ANJEA)突变后也造成柱头乳突细胞活性氧水平降低，引起花粉水合加快。进一步研究发现， FER和ANJ作为PCP-Bγ的受体与其发生相互作用，共同调控柱头活性氧水平，影响花粉的水合。

该研究还发现，柱头乳突细胞自分泌的RALF33(RAPID ALKALINIZATION FACTOR33)小肽通过FER/ANJ/LLG1-ROP2-RBOHD信号通路引起活性氧产生。而PCP-Bs小肽可以抑制RALF33小肽引起的柱头乳突细胞活性氧水平升高，并且促进花粉在柱头的水合过程。进一步地，该研究通过各种生化实验体系，发现PCP-Bγ小肽能够将FER-RALF33复合物中的RALF33小肽竞争下来，而与FER互作结合。

综上所述，该研究发现，授粉前柱头乳突细胞通过RALF33-FER/ANJ/LLG1-ROP2-RBOHD信号通路产生活性氧;授粉后，来自花粉的PCP-Bγ小肽与柱头自分泌的RALF33小肽竞争性结合FER/ANJ，阻断乳突细胞中的活性氧产生通路，导致乳突细胞活性氧水平降低，促进花粉的水合。该研究涉及的CrRLK1L受体激酶、RALF小肽、PCP-B小肽、小G蛋白RAC/ROPs和NADPH氧化酶在开花植物中广泛存在，因此，该研究揭示的调控机制可能是开花植物中保守的亲和花粉识别机制。对于更广泛的植物发育领域来说，该发现是植物受体激酶感知和切换不同类型的小肽配体来调控植物发育的又一例证。同时，研究结果也为克服远缘杂交障碍提供了重要理论依据。

华东师范大学生命科学学院李超研究员为该论文的通讯作者，刘晨博士为第一作者，李超研究组沈恋苹等同学参与了该研究。清华大学、美国马萨诸塞大学和国家蛋白质中心张江实验室参与该项研究。该工作得到国家自然科学基金的资助。