2025年8月21日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王浩教授團(tuán)隊(duì)在Science雜志子刊《Science Advances》（IF五年平均：14.1）上發(fā)表題為“NtLLG4-mediated unconventional polar exocytosis of NtPPME1 coordinates cell wall rigidity and membrane dynamics to control pollen tube integrity”的研究論文，該研究揭示了非典型極性胞吐途徑的生物發(fā)生過程及其關(guān)聯(lián)細(xì)胞壁與細(xì)胞膜來共同調(diào)控花粉管細(xì)胞生長和植物受精的分子作用機(jī)制。
細(xì)胞壁和細(xì)胞膜在植物生長發(fā)育過程中如何互相溝通和協(xié)調(diào)一致？細(xì)胞膜需要擴(kuò)張但細(xì)胞壁卻堅(jiān)如磐石可不行。以極性生長的花粉管為模型，該研究揭示了這一協(xié)調(diào)機(jī)制。被子植物生殖受精的核心是通過花粉管遞送兩個(gè)不可自主運(yùn)動(dòng)精細(xì)胞到胚囊。花粉管從柱頭表面向雌配子體快速極性生長時(shí)，必須維持自身結(jié)構(gòu)完整性，而在抵達(dá)胚囊后則需及時(shí)破裂以釋放精細(xì)胞完成雙受精。花粉管的生長調(diào)控和完整性維持取決于細(xì)胞膜與細(xì)胞壁的協(xié)同作用。王浩實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)了一條非典型極性胞吐途徑。該途徑可介導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞壁剛性的關(guān)鍵果膠甲酯酶（Nicotiana tabacum pollen-specific pectin methylesterase 1，NtPPME1），通過高爾基體衍生囊泡（Golgi-derived secretory vesicles，GDSVs）繞過蛋白質(zhì)經(jīng)典胞吐外泌途徑必經(jīng)的反式高爾基網(wǎng)狀體，直接極性分泌至質(zhì)外體中，調(diào)控花粉管細(xì)胞壁剛性以維系細(xì)胞快速頂端生長。但是，該非典型極性胞吐途徑的生物發(fā)生過程及其調(diào)控花粉管極性生長的分子作用機(jī)制尚未被揭示。此外，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為花粉管頂端聚集著形態(tài)相似、大小均一、直徑約130納米的典型微囊泡，其尺寸與GDSV存在顯著差異。GDSVs是否可以被極性運(yùn)輸至花粉管頂端來介導(dǎo)蛋白質(zhì)胞吐外泌也尚未明確。
該研究利用新興的冷凍聚焦離子束掃描電子顯微鏡（Cryo-FIB-SEM）和三維斷層成像與重構(gòu)技術(shù)，首次成功明確了花粉管頂端包含兩種不同類型微囊泡。研究結(jié)果顯示，除直徑為130納米的經(jīng)典微囊泡外，介導(dǎo)NtPPME1非典型胞吐外泌微囊泡GDSVs也特異聚集在花粉管頂端。其次，該研究系統(tǒng)解析了介導(dǎo)NtPPME1非典型極性胞吐外泌的運(yùn)輸信號(hào)，揭示該蛋白質(zhì)運(yùn)輸途徑的生物發(fā)生機(jī)制，為今后用于以植物細(xì)胞為底盤的合成生物學(xué)和生物反應(yīng)器提供了理論依據(jù)。最后，該研究進(jìn)一步鑒定和探明了LORELEI糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白4（NtLLG4）是介導(dǎo)NtPPME1非典型胞吐外泌的轉(zhuǎn)運(yùn)受體蛋白，它可特異性識(shí)別和結(jié)合NtPPME1通過GDSVs進(jìn)行胞吐外泌，進(jìn)而調(diào)控花粉管頂端細(xì)胞壁的剛性。同時(shí)，前人研究發(fā)現(xiàn)LLG也是定位于細(xì)胞膜上維系花粉管細(xì)胞完整性的關(guān)鍵蛋白之一。因此，該研究闡明了細(xì)胞壁與細(xì)胞膜協(xié)同維系花粉管完整性的分子作用機(jī)制。
本研究成果為植物生殖生物學(xué)研究提供了新視角，不僅深化了對(duì)非典型胞吐途徑在細(xì)胞極性生長和形態(tài)發(fā)生的生物學(xué)功能的理解，拓展了有關(guān)非典型蛋白質(zhì)胞吐外泌的認(rèn)知，豐富了細(xì)胞蛋白質(zhì)分泌的理論體系，還進(jìn)一步增進(jìn)了人們對(duì)植物雙受精過程的認(rèn)識(shí)，并為花粉管導(dǎo)向機(jī)制的研究提供了新的理論依據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)表示，后續(xù)將深入解析植物細(xì)胞極性建成過程中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步探索其在農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用潛力。
NtPPME1非典型極性胞吐及其維持花粉管完整性的調(diào)節(jié)機(jī)制示意圖
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院翁洵博士為本文的第一作者，已畢業(yè)碩士生王昊，已畢業(yè)本科生王子恒（加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校在讀研究生），陳芷烆（香港城市大學(xué)在讀研究生），劉傳灝（香港中文大學(xué)在讀研究生）以及楊致遠(yuǎn)（中山大學(xué)在讀研究生）也參與了該研究工作。此外，蔡司公司蔣藝豐工程師，香港中文大學(xué)高嘉陽博士后和姜里文教授，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙利鋒副教授和黃吉雷研究員以及蘭州大學(xué)張鳳教授對(duì)本研究提供了支持與幫助，王浩教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃（集成項(xiàng)目和培育項(xiàng)目）和面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及雙一流學(xué)科提升計(jì)劃的資助。
文/圖 生命科學(xué)學(xué)院 趙利峰
