三個受體負責阻止多花粉管穿出受精。（瞿禮嘉供圖）
1月20日，《科學》刊發北大生命科學學院教授瞿禮嘉實驗室研究成果，揭示了模式植物擬南芥通過小肽信號及其受體介導的信號通路防止多精受精的分子機制，即每個胚珠僅允許一根花粉管穿出花柱道的隔膜進入其內進行受精。
正常情況下，被子植物只允許一根花粉管靶向胚珠去受精的現象已發現多年，但究竟是何種原因只讓一根花粉過去進入而不是多個呢？在此之前，這種分子控制機制一直沒搞清楚。
“我們實驗室很早就開展通過基因編輯技術敲除植物基因研究基因功能的工作，今天這項工作就是應用了基因編輯技術研究出基因的功能的典型例子。” 瞿禮嘉告訴《中國科學報》。
尋找阻止“多根花粉管”穿出機制
瞿禮嘉實驗室是通過遺傳學方法研究植物發育機制的實驗室，2013年基因編輯技術問世，這個實驗室是全球最早把基因編輯技術應用于植物研究的四個實驗室之一。
這是瞿禮嘉實驗室繼2017年和2019年在《科學》上分別闡明了花粉管爆裂釋放精細胞的分子機制以及擬南芥通過種屬特異性的花粉管吸引信號實現“同種花粉優先”的分子機制之后在植物生殖生物學領域中取得的又一個重要突破。
動物系統中有非常嚴格的控制機制，不允許“多精受精”，以保證受精成功以及后代正常發育。
被子植物的生殖過程與動物系統有很大的不同，是依靠演化出來的一個特殊細胞——花粉管，花粉管穿出花柱道隔膜、沿著珠柄生長導向胚珠，最后在胚珠中通過爆裂釋放出兩個精細胞，以實現被子植物特有的“雙受精”。
植物只要不讓多根花粉管同時靶向一個胚珠去受精，就可以有效地限制“多精受精”的發生。雖然正常情況下只允許一根花粉管靶向胚珠去受精的現象已發現多年，而且在許多被子植物中都觀察到了類似的現象，但是阻止“多根花粉管”靶向胚珠的分子控制機制一直沒搞清楚。
更為復雜的是，阻止“多根花粉管”靶向胚珠的控制機制還涉及到另外一個非常重要的生物學現象——“受精補償”。正常情況下，當花粉管爆裂釋放出兩個精細胞后，精細胞會在20分鐘之內分別與兩個雌配子（卵細胞和中央細胞）迅速融合、完成受精。
但是，如果精卵融合出現問題而導致受精失敗的話，那么就會有第二根花粉管被吸引過來進入胚珠、爆裂釋放出精細胞再次受精，這個現象稱為“受精補償”。“受精補償”增加了一次受精的機會，是植物保證生殖成功的重要機制。
“受精補償”機制的存在，同時也就意味著阻止“多根花粉管”靶向胚珠的分子控制機制應該是可逆轉的，既要保證第一根花粉管穿出花柱道時不讓其他花粉管同時穿出，又要在受精失敗的情況下靈活地解除這種限制以讓第二根花粉管過來進行“受精補償”。
找出破解之道
瞿禮嘉團隊首先鑒定到在雌蕊花柱道隔膜處表達的三個受體FERONIA、ANJEA和HERK1，這三個受體在膈膜處建立不讓“多花粉管穿出”的“屏障”，因為在缺失這三個受體的雌蕊中會出現多根花粉管同時穿出花柱道隔膜靶向同一胚珠的現象。
同時，瞿禮嘉教授團隊又鑒定到花粉管（雄方）分泌的五個小肽RALF6、7、16、36和37是這三個受體的配體信號分子，也參與在膈膜處建立不讓“多花粉管穿出”的“屏障”，因為缺失這五個小肽信號，也會出現多根花粉管同時穿出花柱道隔膜去靶向同一胚珠的現象。
“我們首次闡明了在花柱道隔膜處防止多花粉管穿出屏障的建立是有賴于雌（受體）—雄（小肽信號）雙方的相互作用，揭示了擬南芥中防止多花粉管受精的分子機制。” 瞿禮嘉表示。
瞿禮嘉團隊進一步發現，花粉管是溝通胚珠中受精狀態和花柱道隔膜處屏障開/關的一個橋梁。當花粉管爆裂釋放精細胞進行受精時，破裂花粉管表面的RALF小肽急劇減少，從而解除花柱道隔膜處的“屏障”，以便讓第二根花粉管在需要“受精補償”的時候穿出花柱道靶向胚珠進行第二次受精。這也完美地解釋了防止多花粉管穿出的屏障是如何逆轉開放的。
在花柱道隔膜處建立防止多花粉管穿出的屏障，除了防止“多精受精”以外，還在植物演化上具有重要的意義。瞿禮嘉實驗室前期研究論文表明，擬南芥胚珠分泌的物種特異性花粉管吸引信號AtLURE1s，吸引自身的花粉管比近緣物種的花粉管優先穿出花柱道靶向胚珠進行受精，實現“同種花粉優先”，促進近緣物種間的生殖隔離。
而只允許一根花粉管穿出的“屏障”的建立是這種實現“同種花粉優先”、促進近緣物種間的生殖隔離的先決條件，因為該屏障確保了沒有其他花粉管穿出的競爭，是確定第一根穿出的花粉管優先受精優勢的基礎。
基于其實驗結果，瞿禮嘉團隊提出了防止多根花粉管穿出的屏障如何建立和解除的工作模型：首先，一根花粉管響應臨近胚珠發出的吸引信號，穿出花柱道、靶向胚珠。其次，花粉管分泌的五個RALF小肽激活花柱道隔膜表皮細胞的三個受體，建立并維持防止第二根花粉管穿出的屏障。
花粉管進入胚珠后，爆裂釋放精細胞完成受精。隨著花粉管破裂，其表面的RALF小肽急劇減少，花柱道隔膜處的屏障信號解除。另外，如果配子融合成功，宿存助細胞將降解，助細胞分泌的花粉管吸引信號將被修飾、稀釋或降解，這樣盡管花柱道隔膜處的屏障消失了，也不會有其他花粉管再穿出花柱道靶向胚珠。
最后，但是如果受精失敗時，宿存助細胞不會降解，還會繼續分泌花粉管吸引信號，這是由于第一根花粉管破裂而解除了花柱道隔膜處的屏障，第二根花粉管就會穿出花柱道進入胚珠進行第二次受精（受精補償），而第二根花粉管又會通過這五個RALF小肽和FERONIA/ANJEA/HERK1受體在花柱道隔膜處建立起新的屏障，防止其他花粉管的再次穿出。