拟南芥中央细胞控制花粉管珠孔导向分子机理的研究

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被子植物双受精的前提是卵细胞和精细胞能够靠近和融合。植物的精细胞不能运动,需要靠花粉营养细胞形成的花粉管传递到胚囊。同时,胚囊通过分泌信号分子来吸引花粉管,使花粉管能够准确地进入胚囊并完成受精。花粉在柱头萌发,花粉管定向生长并到达胚囊完成受精的过程就是花粉管导向生长的过程。鉴定花粉管导向生长过程中的相关信号分子,对于了解花粉管定向生长的过程,以及整个双受精作用有着至关重要的作用。CENTRAL CELL GUIDANCE(CCG)是一个在中央细胞中特异表达的蛋白,在花粉管的珠孔导向过程中起重要作用。CCG是具有锌指结构的转录调控因子,可能通过调节下游基因的表达,从而控制花粉管的珠孔导向过程。但CCG的蛋白互作网络,以及CCG是否参与调控花粉管吸引信号分子的分泌等问题,仍不清楚。  本文中,通过酵母双杂交筛选,获得并确定了两个与CCG互作的蛋白--CIP1和CIP2(AGL80)。通过酵母双杂交、pull-down以及BiFC实验证实了CCG与CIP1以及CCG与AGL80的相互作用。发现CCG同CIP1的相互作用依赖于CCG的N端保守的锌指结构,而CCG同AGL80的互作不依赖于CCG的N端保守的锌指结构。此外,还证明CIP1同AGL80、以及同与AGL80互作的AGL61均存在相互作用。将CCG、CIP1、AGL80和AGL61四个蛋白同时进行pull-down实验,结果显示四个蛋白可以在大肠杆菌中形成复合物。表型分析发现在agl80突变体中,花粉管珠孔导向受到微弱的影响,表现为约22%的花粉管不能进入胚珠珠孔。CIP1表达下调的转基因植株中,其角果中存在约45%败育的胚珠。进一步的研究发现,胚珠的败育可能是由于花粉管不能进入胚珠珠孔而导致无法受精所致。以上的研究表明,CCG、CIP1以及AGL80同处于控制花粉管导向的途径中。本研究还发现,CCG除了可以与通用转录因子TFIIF相互作用之外,还能与TBP互作;同时AGL80可以与TFIIB相互作用。这些结果提示CCG可能介导转录因子AGL80/AGL61异源二聚体与RNA聚合酶复合体的作用,从而调节下游基因的转录表达。  通过对野生型和ccg突变体胚珠的基因芯片分析,发现与野生型胚珠相比,突变体胚珠有1705个基因表达量明显上调,有1330个基因表达量明显下调。一类编码富含半胱氨酸蛋白(CRP)基因在突变体中表达量变化较为明显。这一类蛋白可能作为花粉管吸引信号起作用。对中央细胞中特异表达的六个编码CRP的基因进行实时荧光定量PCR检测,结果与芯片一致。与野生型相比,其中4个基因的表达量明显下调。对受到MYB98调节的23个DD(DOWNREGULATED IN DIF1)类基因进行实时荧光定量PCR验证,结果显示:与野生型相比,在ccg突变体中,其中22个DD基因的表达下调显著,仅有一个基因表达量无明显变化,说明了这一类基因在花粉管导向过程中具有重要作用。对表达ProDD36∷GFP、ProDD66∷GFP、ProDD22∷GFP、ProLCR59∷GFP、ProDEFL∷GFP和ProLCR24∷GFP的ccg突变体和ngl80突变体的荧光信号进行观察统计,发现这些基因的表达在ccg突变体和agl80突变体中受到影响。对带有助细胞标记ProDEFL1∷GFP、ProDEFL2∷GFP、ProDEFL3∷GFP、ProDEFL4∷GFP、ProDEFL5∷ GFP的ccg突变体的荧光信号进行观察统计,发现DEFL4和DEFL5在ccg突变体中的表达明显下调。  利用ProAGL80∷A GL80-GFP进行染色体免疫共沉淀实验,发现AGL80能够结合到DD22基因启动子区。DD22表达下调的转基因植株角果中存在约40%败育的胚珠,进一步的研究发现胚珠的败育可能是由于花粉管不能进入胚珠珠孔所致。  综上所述,AGL80-AGL61异源二聚体结合在含CArG-box的基因(如DD22)的启动子区域,而CCG与CIP1可能招募RNA聚合酶复合体到AGL80-AGL61复合体,进而调节这些下游基因(DD22)的表达,从而控制花粉管珠孔导向的过程。
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