文献阅读-细胞融合的机制避免多根花粉管进入

本次阅读的文章有两篇,一篇是13年发表在《Dev Cell》上《Ethylene Signaling Is Required for Synergid Degeneration and the Establishment of a Pollen Tube Block》,通讯作者是德国蒂宾根大学的Rita Groß-Hardt教授。主要讲述了乙烯信号途径对于阻止多花粉管进入的机制。

另外一篇是日本名古屋大学的Tetsuya Higashiyama为通讯作者在15年于《Cell》上的《Rapid Elimination of the Persistent Synergid through a Cell Fusion Mechanism》。主要详细描述了正常受精之后,宿存助细胞与胚乳融合从而调控了正常防止多花粉管进入的过程。

防止多花粉管进入胚囊对于确保花粉管受精成功非常重要,在一根花粉管被吸引进入助细胞之后,该助细胞退化,另外一个细胞称为宿存助细胞。拟南芥许多突变体在受精之后均能展现出多根花粉管的表型,例如特异在中央细胞和胚乳表达的参与基因沉默复合体的成员FIS-PRC2,又例如乙烯信号传导途径的 ein3 eil1 也会产生类似的表型,暗示着沉默复合体以及乙烯信号途径共同参与多花粉管的调控。

双受精的过程

其中在乙烯信号途径中有两个关键的转录因子EIN3 EIL1,为了探究乙烯信号对于生殖的影响。作者构建了 ein3 eil1 双突,发现突变体对于正常的受精无影响,能够正常生成胚和胚乳,但是杂在受精24h,还能够检测到助细胞的核,暗示EIN3 EIL1可以调控助细胞的程序性死亡。观察  ein3 eil1 或是 ein2 (位于ein3和eil3上游)的突变体,发现约有40%出现持续性的宿存助细胞以及多根花粉管进入的现象。

ein3 eil1 无法建立正常的受精阻碍

既然乙烯对于正常助细胞的降解是重要的,那么是否可以人为模拟这种情况呢?通过显微注射乙烯的前体ACC进入雌配子细胞,发现助细胞形态以及核形态出现异常,为了证实这个结果作者利用乙烯信号组成性激活的突变体ctr-1,也看到了类似的结果(表型过强,能否特异呢?)。此外EIN3-YFP的信号可以特异性的在16HAP后,宿存助细胞,胚乳以及合子检测到。

乙烯信号影响助细胞的降解

此外通过活体成像技术,他们发现助细胞细胞分裂周期似乎与胚乳的分裂整合到一起。为了详细了解,他们利用两个胚乳的marker:pMEA::NLS_tdTomato(非受精激活) 和 pAtrBohD::NLS_GUS(受精后激活), 利用这两个reporter,均能够检测助细胞核带有胚乳细胞的命运。此外,在82.6%ein3 eil1  的宿存助细胞能够检测到细胞壁降解(WT呢)。

因此作者认为乙烯信号具有两个功能,一个是助细胞的PCD以及防止多根花粉管进入。

第二篇文章更详细探讨了宿存助细胞的命运,利用pMYB98::GFP标记助细胞,pRPS5A::H2B-tdTomato 标记精细胞核(宿存助细胞荧光变暗)又或是利用pFWA::FWA-GFP标记中央细胞(宿存助细胞荧光强度变强)。发现胚乳和宿存助细胞在受精以后可能存在融合现象。利用时间梯度进行观察分析,发现主要在12hap能够检测到到胞质融合的现象,而8h无法检测。并且这种融合并不是受精立即进行的,还需要数小时的时间差。

随后利用pMYB98::pCOXIV-GFP,  pDD65::pCOXIV-GFP 分别检测线粒体和内质网在受精过程的动态变化。发现迁移能够在15min内完成。如果利用pMYB98:PIP2a观察,发现很快会出现膜融合的特征,

宿存助细胞和胚乳间融合 

为了进一步观察受精情况,利用分辨率高的镜子,发现宿存助细胞和胚乳之间仅隔了约80 nm 后的细胞壁。但在受精成功里检测约为5.9 ± 2.8 μm暗示了融合事件的发生,作者认为这种融合对多根花粉管的调控。

受精卵pFWA::FWA-GFP的观察  

一些助细胞的分泌物能够参与花粉管的吸引,例如AtLURE1,助细胞与胚乳融合可能影响了这些吸引物质的稳态,利用AtLURE1-GFP进行观察发现,在宿存助细胞内GFP的荧光下降非常快,甚至超过了退化助细胞。免疫荧光的实验也证明了这一结果,在受精成功后能够在双核甚至是四核胚乳中检测到(低)。因此再一次证实了助细胞能够与胚乳融合。

AtLURE1的免疫荧光

助细胞失活的标志是核蛋白减少,为了探究该融合事件在多花粉管阻碍的过程中发挥什么样作用,利用MSI1-GFP发现首先是胞质减少,随后核信号也随之减少。利用H2B来指示染色质浓缩程度。pRPS5A::H2B-tdTomato x pRPS5A::H2B-GFP,胚乳核的信号显示增强,因此H2B-GFP的信号存在重新表达,随后这个表达存在宿存助细胞核内,展现出一种核崩塌的形态,有趣的是这种崩塌往往发生在第一次或是第二次胚乳核分裂的中期。并且GFP信号不亮的材料这种坍塌在第一次分裂时不显著,并且在二核期GFP信号显著。偶尔的,也能够在宿存助细胞中检测到中间染色体的分离,但是没有能进行成功的分裂。

为了进一步探究有丝分裂的特征,利用两个细胞分裂的marker:pHTR2::CDT1a(5G)-TagRFP(S/G2-phase) 和 pCycB1;2::CycB1;2-YFP(G2/M-phase)。CycB1;2-YFP的信号在受精后胚乳细胞核中逐渐升高,在第一次胚乳核分裂后消失,1h后再度累积,暗示核分裂的快速进行。CDT1a(5G)-TagRFP在第一次分裂末期,荧光强度增加。但是相对于胚乳来说,CycB1;2-YFP能够在第一次分裂中检测到。但是助细胞相比于胚乳,CycB1;2-YFP在第一次核分裂能够正常标记,但是对于CDT1a(5G)-TagRFP则无法标记,暗示助细胞核和胚乳核可能存在不协调的特征。

在先前的研究中发现FIS-PRC2参与调控多根花粉管的过程,暗示着这样的突变体可能导致助细胞失活的调控。利用mea, fis2, fie 和 WT分别授粉给带有 pRPS5A::H2B-GFP标记的C24雌方。突变体助细胞的荧光强度约是WT的70%,暗示着FIS-PRC2参与了胚乳和宿存助细胞的融合。

接下来,利用一个胚乳的pAGL62::AGL62-GFP来分析核坍塌的形态。AGL62-GFP在胚乳核中信号逐渐增加随后出现在助细胞核中。有趣的是在meafis2 胚珠中也能检测到宿存助细胞GFP的增加,暗示着FIS-PRC2可能影响了后续胚乳核的稳态。

FLS-PRC2复合体影响了胚乳核分裂模式

那么胚乳的单次受精能否激活融合的信号通路吗?利用 kpl (单受精)的突变体,发现只有与中央细胞融合后才会触发宿存助细胞与胚乳的融合。

中央细胞受精才能触发宿存助细胞的融合

此外先前的研究中还发现乙烯信号对这条信号非常重要。仍然利用 kpl 的突变体,利用EIN3-GFP指示乙烯信号通路,发现精卵融合刺激胚珠中EIN3-GFP的比例要远大于精细胞与中央细胞的比例。因此暗示着精卵的融合可能激活了乙烯信号通路。

精卵的融合会刺激乙烯信号通路

因此该文章主要发现了在成功受精后,胚乳会与宿存助细胞融合,从而阻止了多花粉进入了可能,并且这种融合主要来源于精细胞与中央细胞的融合,而精卵的融合主要可能激活的乙烯信号途径。

模型

对于多根花粉管进入的调控,时间差是个非常重要的问题,花粉管与胚囊一一对应的关系应该在穿出隔膜就建立起来,这应该在6-9HAP就完成,而我们目前得到细胞融合结论,更加像是一个结果,大概在12HAP以后完成。3-6h的时间窗发生了什么,仍不得而知。而FER调控了多根花粉管进入,更像是在接收时的调控,因此两者相互协调,避免多花粉管的现象。

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