兔年首篇!Nature顶刊致谢文章出炉!山东农业大学段巧红和黄家保教授研究团队揭示植物远缘杂交新机制

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1.SRK调控UI花粉的抑制作用

研究人员首先利用油菜花粉对油菜和拟南芥柱头授粉,观测SI、SC、UI及UC授粉过程中花粉诱导的反应,结果发现油菜花和拟南芥种间亲缘关系密切(图1a);后续研究人员又利用SI代表品种卷心菜为研究材料,发现与广泛的CP花粉管渗透到成熟阶段相比,油菜柱头和种间花粉的SI受到严重抑制(图1b)。

已有研究表明SRK的表达谱与ROS积累的表达谱相一致,研究人员对柱头氧化还原与UI反应之间是否有关联进行探究,发现UI花粉诱导的ROS对SI柱头具有排斥作用;此外其他实验结果显示SRK含量缺失时会使ROS增加,进而介导SI、UI花粉的排斥反应减弱(图1c-e)综上,SRK受体对SI、种间和属间花粉均具有排斥反应。

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图1 | SRK控制SI中的柱头ROS,排斥种内和种间花粉

(图源:Jiabao Huang, et al., Nature, 2023)


2. UI和SI激活SRK-FER进而调节RO

已知FER对ROS具有一定调控作用,这一结论由研究人员构建转基因植物并分析相关实验数据后得到验证,且BrFER1对SI和UI均有影响(图2a,b);进一步分析后发现BrSRK46与BrFER1互作(图2c,d);当SI决定因子BrSCR46表达显著增强时,也会增强BrFER1-MYC与BrSRK46-HA及烟草共表达中的ROS含量(图2e);综上SI花粉的SCR和UI花粉中的未知信号通过促进SRK-FER互作抑制不相容花粉,进而激活依赖SRK的ROS活性含量。

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图2 | UI和SI通过SRK-FER相互作用聚合柱头ROS激活以抑制花粉

(图源:Jiabao Huang, et al., Nature, 2023)


3. FER和PCP-Bs更有利于SC而不是UC花粉

作者对SC柱头花粉诱导后发现,相较于SC花粉,UC花粉存在更强的屏障,同时UC花粉诱导ROS的速度也慢于SC花粉下降(图3a),这与FER介导的ROS作为SC柱头屏障以区分种间花粉来提高物种完整性相一致。

已知在拟南芥中,PCP-Bγ与FER结合,会减少柱头ROS,从而允许花粉生长,作者对不同物种的PCP-Bs抑制ROS效果进行分析,结果发现AtPCP-Bγ与BrPCP-B3调控ROS水平结果相反(图3b),综上,PCP-B和FER之间的物种特异性匹配对快速相容性反应具有重要意义,并有利于种内花粉受精的种间障碍。

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图3|pcp-b与FER之间的物种优先相互作用维持了种间屏障

(图片再编辑,源自:Jiabao Huang, et al., Nature, 2023)


4. 相容花粉诱导-NO降低ROS

已知ROS和一氧化氮(NO)的信号转导密切相关,作者对NO在SC和UC反应中是否调节柱头ROS活性进行了探究,结果发现,与野生型不同,FER-4柱头NO对SC授粉和AtPCP-Bγ处理无响应(图4a),物种优先的PCP-B诱导的NO增加也在根系中重现。种内和种间花粉以及各自的PCP-B诱导的NO差异增加(图4b,c)与它们诱导的ROS变化相反(图4d,e),该结论揭示了NO和ROS在区分种间亲和花粉方面的反向函数关系,暗示NO在柱头中被兼容花粉诱导ROS降低和花粉生长。

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图4|相容授粉诱导NO抑制FER介导的ROS产生

(图片再编辑,源自:Jiabao Huang, et al., Nature, 2023)


5. 在兼容反应中没有亚硝化FER

已知半胱氨酸s-亚硝化与NO活性相关,且FER结构域与RBOHs相关,作者对十字花科半胱氨酸亚硝基化进行鉴定,发现转化的拟南芥柱头中AtFER-GFP在SC授粉后也被亚硝化(图5a),暗示FER的亚硝化的作用;此外蛋白质的亚硝基化与下游BrROP2信号复合物的相互作用受损;在含有SC花粉的拟南芥柱头中,被AtROP2降低的AtFER-GFP显著减少(图5b),这些结果表明柱头中ROS下降,是由于兼容授粉刺激NO、亚硝化FER灭活下游RAC/rop,进而调控RBOH依赖的ROS含量,且RBOHs对柱头中ROS活性含量也有抑制作用。

该结论中,拜谱生物提供亚硝基化修饰蛋白质组学技术服务,发现了FERs区域中Cys730、Cys752(图5c-h),以及RBOHs体外及授粉时的亚硝化(图5i-n)。

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图5|亚硝基化修饰位点鉴定

(图片再编辑,源自:Jiabao Huang, et al., Nature, 2023)


6. 打破遥远繁殖的障碍

确定了柱头种间屏障机制后,研究人员对该结论的应用价值进行探究,结果发现在处理过的SI雌蕊花粉授粉12天后,寻常花粉均导致了胚珠增大,胚胎发育(图6a、b),除了柱头外的其他屏障阻止了异花受粉,阻碍了杂交胚胎的发育(图6a、b),综上结果,一种广泛应用于远程育种能使种间杂交胚胎成功发育成可存活植物的技术手段运应而生,对促进十字花科作物远源育种具有重大创新及科学意义(图6c)。

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图6|打破十字花科作物远程育种的柱头屏障

(图源:Jiabao Huang, et al., Nature, 2023)


小结

综上,研究人员发现了在十字花科作物授粉过程中,柱头上SPK受体调控ROS进而影响柱头选择性结合花粉的机制,保证物种间基因稳定遗传的同时,最大限度结合种间优质基因资源,打破了传统十字花科作物育种的生殖隔离屏障,为作物育种开辟了远缘杂交从而获得优质种间杂交胚的新道路、新方向,这一过程中,拜谱生物为作者提供半胱氨酸-S亚硝基化修饰位点蛋白质修饰组学服务,验证了蛋白质亚硝基化介导十字花科植物SC授粉过程,为文章最后结论奠定基调起到不可或缺的作用。



拜谱小结 


鉴于亚硝基化位点丰度极低的情况,为了准确验证到重要的亚硝基化修饰位点,研究人员与我司技术反复探讨,确定技术路线,但第一次,并没有把所有的重要位点全部鉴定到。我司与研究人员沟通后认为,这些未检出位点是因为丰度极低所致,通过多次增加样品初始量,最终鉴定到全部重要的亚硝基化修饰位点,为整个研究提供坚实证据,为文章其他数据提供坚实有力依据。

由该实验插曲我们可知,某些确定的修饰位点鉴定不到,很有可能是IP后富集的样本量不够,加大初始样品量有助于提高鉴定机率。在这里,拜谱生物非常荣幸为有意向的各位老师锦上添花,提供棕榈酰化、糖基化、亚硝基化、半胱氨酸氧化修饰、组蛋白甲基化、乙酰化等蛋白质修饰组学,助力老师发表高分期刊,欢迎各位咨询!


参考文献:Huang J, Yang L, Yang L, Wu X, Cui X, Zhang L, Hui J, Zhao Y, Yang H, Liu S, Xu Q, Pang M, Guo X, Cao Y, Chen Y, Ren X, Lv J, Yu J, Ding J, Xu G, Wang N, Wei X, Lin Q, Yuan Y, Zhang X, Ma C, Dai C, Wang P, Wang Y, Cheng F, Zeng W, Palanivelu R, Wu HM, Zhang X, Cheung AY, Duan Q. Stigma receptors control intraspecies and interspecies barriers in Brassicaceae. Nature. 2023 Jan 25.




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