代谢组学生长素促进大麦花粉成熟的能量产生途径-百趣文献解读

文章标题：Auxin boosts energy generation pathways to fuel pollen maturation in barley

发表期刊：Current Biology

发表时间：2022.3

影响因子：10.834

研究背景

在谷类作物中，花粉强烈依赖母孢子体组织获得资源，但成熟花粉的营养细胞也存在自身的能量产生、淀粉合成、萌发和花粉管生长机制。目前尚不清楚是何种信号激活了这种机制的及时表达，以及这些信号是来自孢子体还是花粉颗粒。百趣代谢组学文献解读，先前研究显示成熟的水稻花药中积累了高水平的生长素，并在花粉中特异地表达生长素合成和信号基因。然而，目前研究仅表明生长素过高对水稻雄蕊成熟有害，其在谷物花粉成熟中发挥的主要功能尚不清楚。为了解花粉成熟过程中的调控和运行机制，本文对所涉及的因素进行深入研究。通过对大麦雄性不育基因38(MSG 38)的功能分析表明，花粉粒自主产生生长素，生长素在促进淀粉生成和其他花粉成熟过程是必需的。

研究结果
1、Msg38突变体在花粉淀粉积累方面存在缺陷

为确定温带谷物中花粉成熟所需的因素，对大麦msg突变体进行研究。与Bowman组相比，msg 38突变体虽不育，但其营养发育无明显缺陷(图1A)；花药形态在雄蕊成熟过程中表现正常，但在花药开裂阶段出现异常(图1B)；花粉有活力(图1C)，但未出现淀粉和钾的显色反应(图1D和1E)，钾离子被认为可以产生渗透梯度，使花粉快速水化；花粉在花药开裂阶段停止膨胀(图1F和1G)；花粉的质体中几乎观察不到淀粉颗粒，裂解液泡持续存在，小液泡呈现空腔状态(图1H和1I)。百趣代谢组学文献解读，这一结果表明，MSG38是大麦花粉有丝分裂的非必需基因，但它对于花粉成熟过程中的液泡动力学以及淀粉和钾的积累至关重要，这些过程可能促使花粉膨胀和水合，转而增加对花药壁组织的压力以促进花药开裂。

图1. Msg 38突变体的表型特征

2、MSG38编码与生长素合成有关的YUCCA家族黄素单加氧酶

通过图位克隆法及转录组检测确定MSG38基因，该基因能够编码一种YUCCA家族黄素单加氧酶(HvYUC4)(图2A-C)。YUC家族成员可以催化吲哚-3-丙酮酸(IPyA)生成生物活性生长素吲哚-3-乙酸(IAA)(图2D）。

图2. MSG38编码参与生长素合成的黄素单加氧酶

通过靶向代谢组学对生长素代谢产物进行分析，验证MSG38/HvYUC4是否参与大麦雄蕊成熟过程中生长素的合成。百趣代谢组学文献解读，与Bowman组相比，msg38雄蕊在成熟阶段过度积累IPyA及其前体L-色氨酸(Trp)；从小孢子期(W8.25-W8.5)到花粉成熟(W9.25-W9.35)IAA和2-羟基吲哚-3-乙酸(OX-IAA)保持在较低水平(图3)。该结果表明，MSG38/HvYUC4在大麦雄蕊成熟过程中催化IAA的直接形成。

图3. Bowman 和msg38花序(W8)和雄蕊(所有其他阶段)生长素相关代谢物的定量

3、MSG38/HvYUC4为花粉特异性蛋白

通过qRT-PCR、RNA原位杂交等技术对MSG38/HvYUC4进行检测，发现在Bowman与msg38突变体中，MSG38/HvYUC4转录本丰度不同(图4A)。在不同时期花药不同部位进行检测时，发现MSG38/HvYUC4主要分布于花粉粒和维管组织(图4B)。百趣代谢组学文献解读，由MSG38/HvYUC4内源启动子驱动的MSG38-荧光蛋白融合也从W9开始，定位于花粉中(图4C)，并恢复msg38-2突变体的育性(图4D)。这些结果表明，MSG38/HvYUC4仅在花粉粒中发挥作用，催化局部生长素的产生并推动花粉成熟。

图4. MSG38/HvYUC4在花粉成熟过程中的表达

4、MSG38/HvYUC4促进花粉成熟过程中的能量代谢

转录组分析结果显示， 64%差异表达基因在msg 38突变体中呈现下调(图5)，除生长素应答基因外，编码异养ATP生成的大部分基因及三个淀粉合成基因下调(图6A和6B)。百趣代谢组学文献解读，通过机器学习预测，msg38突变体中下调的多数能量和淀粉代谢基因上游携带生长素应答转录调控因子ARFs结合位点(图6C和6D)。靶向代谢组学分析发现，W9.35时期的msg38雄蕊倾向于过量积累蔗糖、葡萄糖和果糖(图6E)。因此，生长素信号不是光合产物输入雄蕊所必需的，而是蔗糖分解和糖酵解代谢所必需的。相应的，在msg38雄蕊中发现较低水平的糖酵解产物丙酮酸，以及TCA循环两种重要代谢物柠檬酸和琥珀酸，导致雄蕊中淀粉显著降低(图6E-F)。这些结果表明，生长素主要通过促进能量生成所需基因的表达来促进大麦花粉中淀粉的合成。

此外，msg38突变体中编码淀粉降解酶、转运体、细胞骨架和信号转导成分的多数基因也出现下调，这些基因是典型的成熟花粉转录物（图6A）。转录组富集分析表明，生长素诱导这些基因表达，以促使花粉成熟。

图5. W9.25和W9.35期Bowman和msg38雄蕊转录组学分析

图6. 生长素促进大麦雄蕊的能量代谢

结论

本研究发现生长素激素在大麦花粉成熟过程中是必不可少的，几乎可以促进编码异养能量产生途径（从糖的运输和降解到ATP合酶活性）每一步基因的表达。因此，生长素对于蔗糖和己糖进入糖酵解以及增加丙酮酸和两种TCA循环代谢物（柠檬酸和琥珀酸）的水平是必需的。此外，具有生物活性的生长素由花粉定位酶HvYUCA4合成，支持花粉粒自主产生生长素，以刺激特定的细胞输出、能量生成，从而促进成熟过程。百趣代谢组学文献解读，这些结果表明，生长素可以改变中心碳代谢来驱动植物细胞发育，也体现了生长素促进生长和分化的直接机制。

文/阿趣代谢组学