植物有性生殖需要花粉落在柱頭上，柱頭通過花柱萌發(fā)并長出花粉管，將精細(xì)胞輸送到胚珠。花粉管是已知生長最快的植物細(xì)胞。研究表明，玉米花粉管的生長速度可達(dá)2.8微米/秒，而百合花粉管的生長速度也可達(dá)0.2 ~ 0.3微米/秒。它的極化生長過程消耗了大量的能量，這涉及到質(zhì)體、細(xì)胞質(zhì)和線粒體之間的協(xié)調(diào)能量通量。如此驚人的生長速度需要高效而巨大的能量來進(jìn)行代謝和質(zhì)膜、細(xì)胞壁的持續(xù)合成——問題是:能量從何而來?

由香港大學(xué)(港大)生物科學(xué)學(xué)院林文量博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了實(shí)用的生物傳感器，以測量活植物細(xì)胞和細(xì)胞器中能量流的實(shí)時(shí)動態(tài)變化，這揭示了擬南芥花粉管如何獲得能量以維持其快速生長。

與葉細(xì)胞不同，花粉管不進(jìn)行光合作用，主要依靠花柱供糖產(chǎn)生三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)等能量分子來支持花粉管生長。脂肪酸(FA)是花粉管質(zhì)膜的組成部分，是在花粉質(zhì)體中合成的，花粉質(zhì)體是葉綠體的前體細(xì)胞器，不含葉綠素。花粉質(zhì)體中FA的合成需要大量的ATP、NADPH、NADH和重要的代謝中間體乙酰輔酶a (acetyl- coa)。ATP、NADPH、NADH和乙酰輔酶a有多種可能的途徑用于FA的合成，但由于花粉管體積小，缺乏測量花粉質(zhì)體和細(xì)胞質(zhì)中ATP、NADPH和NADH濃度的工具，其確切機(jī)制尚不清楚。

由Boon Leong Lim博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近在《自然通訊》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第二代熒光NADPH和NADH/NAD+比值蛋白質(zhì)傳感器，并將這些生物傳感器引入到植物擬南芥花粉管的質(zhì)體和細(xì)胞質(zhì)中，從而揭示花粉管生長的生物能學(xué)。

通過對萌發(fā)花粉管進(jìn)行藥物處理，發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸作用是植物擬南芥花粉管胞質(zhì)ATP的主要來源。質(zhì)體ATP主要由質(zhì)體糖酵解提供，也可通過質(zhì)體膜上的核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(NTT)從細(xì)胞質(zhì)中輸入。對于質(zhì)體NADPH的供應(yīng)，質(zhì)體蘋果酶NADP-ME4是比氧化磷酸戊糖途徑(OPPP)更重要的途徑。

雖然無氧呼吸和丙酮酸脫氫酶(PDH)旁路被認(rèn)為是煙草花粉管中為質(zhì)體FA合成提供乙酰輔酶a的重要途徑，但這些途徑在擬南芥花粉管生長中并不重要。相反，質(zhì)體糖酵解是脂肪酸合成中乙酰輔酶a更重要的來源。

NADH和NAD+在質(zhì)體中的轉(zhuǎn)化似乎要復(fù)雜得多。雖然質(zhì)體糖酵解和質(zhì)體PDH途徑產(chǎn)生了大量的NADH來合成FA，但多余的NADH必須通過nadd -蘋果酸脫氫酶(plnadd - mdh)在花粉質(zhì)體中轉(zhuǎn)化回NAD+來維持質(zhì)體糖酵解。

本研究不僅開發(fā)了更實(shí)用的生物傳感器，可以實(shí)時(shí)測量活植物細(xì)胞和細(xì)胞器中ATP、NADPH、NADH/NAD+的動態(tài)變化，而且揭示了花粉質(zhì)體中為FA合成提供ATP、NADPH、NADH和乙酰輔酶A的確切生化途徑。

這篇文章的第一作者、Lim團(tuán)隊(duì)的博士生劉金紅女士評論說:“我們開發(fā)的植物熒光蛋白傳感器是解決植物生物能學(xué)一些關(guān)鍵問題的強(qiáng)大工具。我們很高興在2022年的《自然通訊》上發(fā)表兩篇關(guān)于我們使用這種新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)。”

文章標(biāo)題

Bioenergetics of pollen tube growth in Arabidopsis thaliana revealed by ratiometric genetically encoded biosensors