代謝組學(xué)在探究生長素促進(jìn)大麥花粉成熟的能量產(chǎn)生途徑中的應(yīng)用

文章標(biāo)題：Auxin boosts energy generation pathways to fuel pollen maturation in barley

發(fā)表期刊：Current Biology

發(fā)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(yǎng)細(xì)胞也存在自身的能量產(chǎn)生、淀粉合成、萌發(fā)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(dá)，以及這些信號是來自孢子體還是花粉顆粒。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)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(dá)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(fā)揮的主要功能尚不清楚。為了解花粉成熟過程中的調(diào)控和運行機制，本文對所涉及的因素進(jìn)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(chǎn)生生長素，生長素在促進(jìn)淀粉生成和其他花粉成熟過程是必需的。

研究結(jié)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(jìn)行研究。與Bowman組相比，msg 38突變體雖不育，但其營養(yǎng)發(fā)育無明顯缺陷(圖1A)；花藥形態(tài)在雄蕊成熟過程中表現(xiàn)正常，但在花藥開裂階段出現(xiàn)異常(圖1B)；花粉有活力(圖1C)，但未出現(xiàn)淀粉和鉀的顯色反應(yīng)(圖1D和1E)，鉀離子被認(rèn)為可以產(chǎn)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(zhì)體中幾乎觀察不到淀粉顆粒，裂解液泡持續(xù)存在，小液泡呈現(xiàn)空腔狀態(tài)(圖1H和1I)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，這一結(jié)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(xué)以及淀粉和鉀的積累至關(guān)重要，這些過程可能促使花粉膨脹和水合，轉(zhuǎn)而增加對花藥壁組織的壓力以促進(jìn)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(guān)的YUCCA家族黃素單加氧酶
通過圖位克隆法及轉(zhuǎn)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(xué)對生長素代謝產(chǎn)物進(jìn)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(xué)文獻(xiàn)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(jié)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(guān)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(shù)對MSG38/HvYUC4進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在Bowman與msg38突變體中，MSG38/HvYUC4轉(zhuǎn)錄本豐度不同(圖4A)。在不同時期花藥不同部位進(jìn)行檢測時，發(fā)現(xiàn)MSG38/HvYUC4主要分布于花粉粒和維管組織(圖4B)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，由MSG38/HvYUC4內(nèi)源啟動子驅(qū)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(fù)msg38-2突變體的育性(圖4D)。這些結(jié)果表明，MSG38/HvYUC4僅在花粉粒中發(fā)揮作用，催化局部生長素的產(chǎn)生并推動花粉成熟。
 

圖4. MSG38/HvYUC4在花粉成熟過程中的表達(dá)

4、MSG38/HvYUC4促進(jìn)花粉成熟過程中的能量代謝
轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果顯示， 64%差異表達(dá)基因在msg 38突變體中呈現(xiàn)下調(diào)(圖5)，除生長素應(yīng)答基因外，編碼異養(yǎng)ATP生成的大部分基因及三個淀粉合成基因下調(diào)(圖6A和6B)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，通過機器學(xué)習(xí)預(yù)測，msg38突變體中下調(diào)的多數(shù)能量和淀粉代謝基因上游攜帶生長素應(yīng)答轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子ARFs結(jié)合位點(圖6C和6D)。靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(yīng)的，在msg38雄蕊中發(fā)現(xiàn)較低水平的糖酵解產(chǎn)物丙酮酸，以及TCA循環(huán)兩種重要代謝物檸檬酸和琥珀酸，導(dǎo)致雄蕊中淀粉顯著降低(圖6E-F)。這些結(jié)果表明，生長素主要通過促進(jìn)能量生成所需基因的表達(dá)來促進(jìn)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(zhuǎn)運體、細(xì)胞骨架和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)成分的多數(shù)基因也出現(xiàn)下調(diào)，這些基因是典型的成熟花粉轉(zhuǎn)錄物（圖6A）。轉(zhuǎn)錄組富集分析表明，生長素誘導(dǎo)這些基因表達(dá)，以促使花粉成熟。
 

圖5. W9.25和W9.35期Bowman和msg38雄蕊轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析
 

圖6. 生長素促進(jìn)大麥雄蕊的能量代謝

結(jié)論
本研究發(fā)現(xiàn)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(jìn)編碼異養(yǎng)能量產(chǎn)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(dá)。因此，生長素對于蔗糖和己糖進(jìn)入糖酵解以及增加丙酮酸和兩種TCA循環(huán)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(chǎn)生生長素，以刺激特定的細(xì)胞輸出、能量生成，從而促進(jìn)成熟過程。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀，這些結(jié)果表明，生長素可以改變中心碳代謝來驅(qū)動植物細(xì)胞發(fā)育，也體現(xiàn)了生長素促進(jìn)生長和分化的直接機制。

文/阿趣代謝組學(xué)