Plant Physiol | 福建农林大学陈立余团队揭示菠萝授粉亲和性的花粉管细胞壁调控机制

自交不亲和性（self-incompatibility, SI）是开花植物防止近亲繁殖的重要生殖屏障。菠萝具有典型的配子体型自交不亲和特征，自交花粉管在柱头和花柱上部停止生长，严重制约了菠萝种质资源的创新利用。与茄科、蔷薇科等双子叶植物相比，菠萝等单子叶植物的自交不亲和机制仍缺乏系统研究。

花粉管能否持续生长，不仅取决于雌雄之间的相互识别，还受到花粉管细胞壁力学性质的精确调控。花粉管顶端需要保持较高的柔韧性，以支持快速伸长；而后部细胞壁则需要具有足够的机械强度。果胶甲酯酶（PME）和果胶甲酯酶抑制蛋白（PMEI）共同调节果胶甲酯化水平，是维持花粉管“柔软顶端、坚硬管身”结构的重要调控系统。然而，PMEI是否参与菠萝授粉亲和性，以及其如何影响花粉管对雌蕊抑制信号的响应，此前尚不明确。

近日，福建农林大学陈立余教授团队在Plant Physiology期刊发表题为AcoPMEI acts as a dual-function effector that promotes pollen tube growth and buffers against pistil-derived inhibition in pineapple的研究论文。该研究鉴定出一个在菠萝亲和授粉过程中发挥作用的果胶甲酯酶抑制蛋白AcoPMEI，揭示其通过抑制AcoPME14活性维持花粉管顶端细胞壁可塑性，并部分缓解雌蕊来源核糖核酸酶对花粉管生长的抑制作用，为理解单子叶植物授粉亲和性及花粉管生长调控提供了新的视角。

菠萝表现出典型的配子体型自交不亲和

研究团队以菠萝品种“MD2”和“巴厘”（BL）为材料，首先对花粉活力及授粉后的花粉管生长进行观察。结果显示，两个品种的成熟花粉均能够正常萌发，并在体外形成持续伸长的花粉管，表明花粉本身具有正常活力。授粉后，自交花粉管虽然能够在柱头表面萌发，但其生长受到明显抑制，并停止于柱头—花柱交界区域；相比之下，异交花粉管能够穿过柱头并沿花柱持续向子房方向伸长。这一结果证实，“MD2”和“巴厘”均表现出典型的配子体型自交不亲和表型。

图1 菠萝花器官形态及自交不亲和表型

转录组分析鉴定到亲和授粉相关因子AcoPMEI

为筛选参与菠萝自交不亲和与亲和授粉的候选基因，研究团队对“MD2”和“巴厘”在未授粉、自交授粉和异交授粉条件下的花柱进行比较转录组分析，共筛选出90个具有授粉类型特异性表达模式的候选基因。其中，AcoPRX7、AcoFBD和AcoCIPK12等基因在不亲和自交授粉后显著上调，而AcoLRK、AcoFLA7和AcoPMEI在亲和异交授粉后明显上调。值得注意的是，AcoPMEI的表达变化最为显著，亲和授粉条件下，其表达量分别约为不亲和授粉和未授粉条件下的20倍和30倍，提示其可能是菠萝亲和授粉过程中的重要功能因子。进一步研究表明，AcoPMEI主要在成熟花粉中表达。正反交等位基因特异性表达分析显示，授粉后花柱中检测到的AcoPMEI转录本主要来源于父本，说明其本质上是由花粉管表达的。此外，AcoPMEI还定位于细胞壁、质膜及胞外空间，与其调控花粉管细胞壁状态的潜在功能相一致。

图2 AcoPMEI的表达特征及亚细胞定位

AcoPMEI促进花粉管生长并缓解AcoRNase造成的抑制

在体外花粉萌发体系中，添加适量重组AcoPMEI蛋白能够显著促进花粉管伸长；相反，利用反义寡核苷酸降低AcoPMEI表达后，花粉管生长明显受阻。花粉特异性表达AcoPMEI的转基因拟南芥同样表现出更长的花粉管，进一步证明AcoPMEI具有促进花粉管生长的功能。研究团队还分析了AcoPMEI与菠萝T2型核糖核酸酶AcoRNase之间的关系。AcoRNase能够显著抑制花粉管生长并破坏顶端细胞壁完整性，而加入AcoPMEI后，花粉管生长和细胞壁结构均得到部分恢复。酵母双杂交和双分子荧光互补实验未检测到二者直接互作，说明AcoPMEI并非通过结合AcoRNase发挥作用，而更可能通过维持花粉管细胞壁稳态，提高花粉管对雌蕊来源抑制因子的耐受能力。转基因拟南芥授粉实验也进一步支持了这一结论。

图3 AcoPMEI促进花粉管生长并部分缓解AcoRNase介导的抑制

AcoPMEI通过抑制AcoPME14维持顶端细胞壁可塑性

为解析AcoPMEI促进花粉管生长的分子机制，研究团队从菠萝基因组中鉴定出37个果胶甲酯酶家族成员，并结合表达分析和蛋白质相互作用实验筛选其作用靶标。酵母双杂交、双分子荧光互补和GST pull-down实验一致表明，AcoPMEI能与AcoPME14直接互作。酶活测定显示，AcoPMEI可显著抑制AcoPME14的果胶甲酯酶活性，最高抑制率达到69.2%。AcoPME14会促进果胶去甲酯化，使花粉管顶端细胞壁趋于硬化；AcoPMEI则通过抑制AcoPME14，维持较高水平的甲酯化果胶，使顶端细胞壁保持柔韧和可延展状态，从而支持花粉管持续伸长。

图4 AcoPMEI与AcoPME14的相互作用及酶活抑制作用

提出AcoPMEI调控菠萝花粉管生长的工作模型

基于上述结果，研究团队提出：在亲和授粉过程中，花粉来源的AcoPMEI被分泌至花粉管细胞壁及胞外空间，通过结合并抑制AcoPME14，维持花粉管顶端果胶的高甲酯化状态，促进花粉管持续生长；与此同时，稳定的顶端细胞壁还可部分缓冲AcoRNase等雌蕊来源抑制因子造成的细胞壁损伤和生长抑制。

图5 AcoPMEI调控菠萝花粉管生长的工作模型

综上所述，该研究从花粉管细胞壁调控角度揭示了菠萝授粉亲和性形成的新机制，明确了“AcoPMEI—AcoPME14—果胶甲酯化—花粉管生长”这一功能链条，并发现AcoPMEI能够通过细胞壁调节间接提高花粉管对RNase相关抑制作用的耐受能力。该研究拓展了对单子叶植物花粉管生长及授粉亲和性调控的认识，也为后续解析菠萝自交不亲和机制和改良育种效率提供了新的候选基因资源。

福建农林大学陈立余教授为论文通讯作者，博士研究生祁方兵为第一作者，硕士研究生胡润思、杨芳芳博士和傅蓓凌副教授也参与了相关研究。该研究得到了国家自然科学基金和福建省自然科学基金等项目的资助。

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag569