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赵淑青教授研究组发现了调控植物花药发育和花粉成熟的新基因

信息来源:生物技术研究所   文字:赵淑青    时间:2020-09-08

开花植物雄性生殖发育的显著特征是形成包括花药在内的雄蕊。花粉发育从花药孢原细胞的分化开始,经历小孢子母细胞减数分裂、花粉壁形成、绒毡层退化、花粉有丝分裂等过程达到花粉成熟,随后花药开裂释放出成熟花粉粒。这些过程相对独立但彼此又紧密联系,并受众多基因的调控。尽管目前已经分离鉴定了许多在花药和花粉发育过程中起重要作用的基因,人们对控制植物花药发育和花粉成熟的基因调控网络的了解仍然不全面,尤其是对协同花粉成熟和花药开裂的调控途径仍然很有限,因为只有少数影响这些过程的基因得到鉴定。

DUF647家族是在真核生物中广泛存在但功能未知的一个基因家族。我校生物技术研究所赵淑青教授课题组以拟南芥花药为实验材料,详细比较了拟南芥野生型、RUS4基因敲减、过表达等不同株系中花药发育的细胞生物学过程,通过遗传学、细胞生物学和分子生物学等手段,证明RUS4可以通过调节花药药室内壁次生加厚关键基因的表达,来实现对药室内壁次生加厚过程的精确调控,从而控制花药开裂。这是在国际上首次报道的有关拟南芥DUF647家族基因RUS4的功能。研究成果于2019年10月1日在Plant Cell Physiol. 杂志上以封面文章发表(Zhao et al., 2019, 60 (10): 2293–2306. doi:10.1093/pcp/pcz127)。

进一步的研究发现,RUS4在花粉成熟过程中也起着重要的作用。研究结果显示RUS4可能通过调控茉莉酸代谢及信号途径,从而协同调节花药开裂和花粉成熟过程。该研究成果于2020年9月1日在Plant Science杂志在线发表(https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2020.110645)。文章题目为“Knockdown of the DUF647 family member RUS4 impairs stamen development and pollen maturation in Arabidopsis” 。赵淑青教授研究组2020届研究生陈雅洁为该论文的第一作者,赵淑青教授为通讯作者。

该研究工作是关于DUF647家族成员RUS4的一个原创性工作,其研究成果丰富了植物花药发育和花粉成熟的基因调控网络,同时也为探索DUF647家族中其它基因的功能提供了新线索,具有重要的科学意义。该研究得到了国家自然科学基金、山西省留学基金和山西省自然科学基金的资助。英国诺丁汉大学Zoe Wilson教授和Alison Tidy博士参与了该项研究工作。

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Cover image

On the cover: ROOT UV-B SENSITIVE4 (RUS4) encodes a protein with no known function that contains a conserved Domain of Unknown Function 647 motif. On pp. 2293–2306, Volume 60, Issue 10, Zhao et al. have characterised RUS4 knockdown and overexpression lines in Arabidopsis, and report that RUS4 may act redundantly with other genes to affect the expression of secondary cell wall biosynthetic genes to promote secondary thickening of the anther endothecium.

The cover images show stamens stained for secondary thickening with acridine orange/ethidium bromide and visualized by confocal microscopy. Top, Arabidopsis wild-type anther showing a lignified endothecium layer (left), and an artificial microRNA knockdown RUS4 line (referred to as amiR-RUS4) anther showing only a few lignified endothecium cells (right). Bottom, the filaments of wild-type (left) and amiR-RUS4 (right). Image(s) supplied by Shu-Qing Zhao (Shanxi University, China).

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