花粉壁對于保護雄性配子體和受精過程起著非常重要的作用。花粉壁的主要成分脂質一般由孢子體絨氈層合成和轉運。盡管目前已有不少研究對與脂質生物合成相關的幾個因素進行了表征，但水稻花粉發育過程中脂質生物合成的分子機制仍然不清楚。

2022年6月，四川農業大學李雙成/李平教授團隊在Plant Physiology （IF 8.005） 上發表了題為“SWOLLEN TAPETUM AND STERILITY 1 Is Required for Tapetum Degeneration and Pollen Wall Formation in Rice”的文章。研究發現 SWOLLEN TAPETUM AND STERILITY 1 (STS1) 基因的突變會導致水稻絨氈層降解延遲和花粉壁形成中止，并結合植物脂質組學和轉錄組學等技術證實了STS1是生殖發育中脂質生物合成的重要因子，參與花藥脂質穩態。該研究為植物雄性生殖發育及花藥脂質代謝的調控機制提供了新的見解，并為雜交水稻育種中雄性育性的人工控制提供了新的靶點。中科新生命參與了該研究中植物脂質組學的相關工作。

 研究材料

水稻花藥

 技術路線

步驟1：表型研究，sts1突變體為雄性不育；

步驟2：細胞學分析，sts1突變體水稻絨氈層降解延遲和花粉壁形成中止；

步驟3：脂質組學分析，sts1突變體中與花粉育性相關的脂質組分明顯下調；

步驟4：轉錄組學分析，與花藥脂質生物合成和絨氈層發育相關的部分基因的表達在sts1-1中受到干擾；

步驟5：STS1與OsPKS2和OsACOS12相互作用，調節花藥脂質生物合成。

 研究結果

1. 表型研究

作者從秈稻品種9311的突變體庫中分離出兩個具有等位基因突變的雄性不育突變體（sts1-1和sts1-2）。與野生型（WT）相比，這些突變體顯示正常營養生長，但沒有產生可利用的種子。突變體的花藥呈黃白色且比較小，其在抽穗期沒有產生花粉粒，然而突變體中的胚囊發育與WT相似。這些結果表明sts1突變體為雄性不育，且通過回交實驗證實不育表型是由單個隱性突變引起的（圖1）。
 

圖1 WT和突變體的表型比較

2. 細胞學分析

通過STS1的克隆和功能驗證實驗證實了STS1在維持雄性育性中的關鍵作用。為了進一步了解STS1在雄性生殖中的作用，作者分析比較了WT和sts1-1之間花藥發育的細胞學差異。光學顯微鏡研究發現在階段8a之前，WT和sts1-1之間未發現明顯的差異。WT在第8b階段時絨氈層開始凝結，隨后進一步降解，并最終在第12階段消失。而突變體則開始表現出輕微腫脹，并隨著時間的延長而持續腫脹。在第12階段時，不完全降解的絨氈層則保留在突變體花藥壁中。盡管突變體的減數分裂正常，但小孢子在后期逐漸破碎。在第12階段時，WT小孢子最終發育成充滿內含物的成熟花粉粒。相反，突變體小孢子開始塌陷和退化，最終留下空花藥室。作者后續使用透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了絨氈層和小孢子的超微結構和發育情況，與光學顯微鏡的結果類似，結果表明STS1對于絨氈層發育和花粉壁的形成是必不可少的（圖2）。
 

圖2 細胞學分析

3.  脂質組學分析

研究發現STS1編碼一個含有DUF726結構域的未知蛋白，其定位于內質網，并證實了STS1具有脂肪酶活性，參與水稻花藥中的脂質生物合成。為了進一步了解STS1對脂質生物合成的影響，作者采用脂質組學方法分析了WT和突變體花藥中的脂質成分。OPLS-DA分析表明， WT和突變體花藥在脂質組成上存在顯著差異。接著定量分析了與雄性生殖發育相關的不同脂質分子，發現野生型和突變體中鞘磷脂的豐度相當，但突變體中脂肪酰、甘油脂、糖脂和甘油磷脂的幾個脂質類別的總含量顯著低于WT。如鑒定到的六種蠟酯種類，其中四種在突變體中下調。此外，單酰甘油酯（MG）、三酰甘油酯（TG）、磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）等類別豐度在突變體中也顯著下調，這些結果表明STS1參與了花藥中脂質生物合成的調節（圖3）。

圖3 STS1具有脂肪酶活性，并參與水稻花藥中的脂質生物合成

4. 轉錄組學分析

作者使用轉錄組學技術進一步了解STS1在花粉發育中的作用。在突變體花藥中篩選出210個差異表達的基因(DEGs)。其中，60個基因上調，150個基因下調。GO分析發現DEGs顯著富集在孢粉素生物合成、花粉外壁形成、花粉壁組裝等過程。RT-qPCR分析進一步證實了一些基因參與這些途徑，如在sts1-1花藥7到10的大多數階段中，CYP703A3、CYP704B2、OsACO12、OsPKS1、OsPKS2等顯著下調。此外，與絨氈層發育相關的基因及花藥特異性基因如EAT1、OsAP37、OsSub42等在sts1-1花藥中均下調。這些結果表明，與花藥脂質生物合成和絨氈層發育相關的許多基因的表達在sts1-1花藥中受到干擾，證實了正常花藥發育需要STS1的假設（圖4）。

圖4與花藥脂質生物合成和絨氈層發育相關的部分基因的表達在sts1-1中受到干擾 

5. STS1與OsPKS2和OsACOS12相互作用

作者使用酵母雙雜交和雙分子熒光互補等技術研究了與STS1相互作用以介導脂質生物合成的可能成分。結果發現STS1可與其自身相互作用，此外，通過體內和體外實驗證實了STS1與介導水稻花藥中脂質的生物合成參與花粉發育的兩種蛋白OsACOS12和OsPKS2有直接相互作用，且OsACOS12和OsPKS2可能不影響STS1的酶活性（圖5）。

圖5 STS1與OsPKS2和OsACOS12相互作用

 小編小結

總之，細胞學、遺傳學和生物化學數據共同表明，STS1編碼一種含有DUF726的蛋白質，具有脂肪酶活性，并且可能通過與OsACOS12和OsPKS2相互作用，調節花藥脂質生物合成，對絨氈層發育和花粉壁形成至關重要。

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