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我院FAFU-UCR联合园艺中心在《Nature Communications》发表文章


海峡联合研究院   发布时间: 2017-11-30  信息员:  

近日,我院FAFU-UCR联合园艺中心杨贞标研究组的研究员罗楠等研究人员在Nature Communications期刊上发表了题为“Exocytosis-coordinated mechanisms for tip growth underlie pollen tube growth guidance”的文章。参与该研究工作的还有日本Nagoya大学的Higashiyama教授及其实验室成员。文章结合数学建模与实验生物学的方法,以拟南芥花粉管为模式系统,首次建立了快速顶端生长及生长导向的分子机制与细胞壁机械特征相连的模型。

快速顶端生长是一种至关重要的极性细胞生长。该生长方式能让一些细胞穿透狭窄的细胞间隙并进行长距离定向生长,从而找到诱导它们生长的信号源。已知真菌和卵菌菌丝可以通过快速顶端生长以侵染人体、动物及植物而诱发病害,人体与动物的神经细胞通过快速顶端生长能伸展到各个部位传送神经信号,而植物的花粉管通过快速顶端生长把精子输送到胚珠进行双受精。半个世纪来,国际上有很多研究组一直在探讨快速顶端生长机制。20多年来,杨贞标教授研究组利用拟南芥花粉管研究快速顶端生长调控的分子机理,尤其在ROP族小G蛋白调控的信号转递网络有较深入了解。然而,快速顶端生长与穿透性及导向生长在机理上的联系仍一无所知。近年多个研究组的研究已发现了拟南芥中参与花粉管导向的几种分子,包括导向信号分子与膜受体,但其下游的信号通路如何控制细胞的生长方向仍然没有好的解释。

该文章的作者提出导向信号分子是通过调节控制花粉管顶端生长的分子机制,即植物小G蛋白ROP1、细胞骨架与胞吐作用exocytosis共同形成的信号通路,来改变生长方向的假说。为了验证该假说,他们首先建立了花粉管顶端生长分子机制的数学模型。在这个模型中,胞吐作用既与ROP1信号网络互作导致了活性ROP1在细胞膜上的极性分布,同时又将膜蛋白的极性传递到细胞壁。植物细胞内部有巨大的膨压,像气球一样受力与细胞壁。花粉管顶端的细胞壁比较松软,在膨压挤压下突出,造成顶端生长。该模型首次解释了细胞内如何调控细胞壁的机械性能让顶端细胞壁松软的分子机制。该数学模型得到多个生物实验验证,计算机的预测与多个rop和外吐的突变体表型一致。文章进一步模拟外来导向信号通过调节ROP分布改变胞吐的位置,从而影响细胞壁的机械性质,导致细胞转向。

数学模拟再现了花粉管导向过程中活性ROP1的动态与细胞的形态,并且预测了影响花粉管导向效率的几种因素,如信号分子浓度、花粉管生长速率以及参与ROP-胞吐信号通路的蛋白。这些预测结果在实验中得到了证实。该研究结果从机理上解释了为什么快速顶端生长的原理可以有效的用来调控有外界信号诱导的导向生长。这些发现很可能启发研究其它细胞的快速顶端生长和导向生长的机理。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-01452-0