花粉管是生長最快的植物細胞。它的生長過程消耗了大量的能量，這涉及到質體、細胞質和線粒體之間的能量轉化。然而，花粉管是如何獲得能量的，花粉質體在這一過程中起著怎樣的生物學作用，目前尚不清楚。2022年12月19日，香港大學林文量（Boon Leong Lim）課題組在Nature Communications發表題為「Bioenergetics of pollen tube growth in Arabidopsis thaliana revealed by ratiometric genetically encoded biosensors」的研究論文。研究人員開發了第二代吡啶核苷酸比例生物傳感器，發現花粉質體在將外源糖的碳和能量轉化為脂肪酸（fatty acids，FAs）以實現花粉管快速生長方面發揮著重要作用，提出了支持花粉管生長和花粉質體中FA生物合成的能量來源模型。
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35486-w
研究人員開發了mCherry-SoNar/iNAPs生物傳感器，將ATP生物傳感器At1.03及其無反應對照生物傳感器At1.03R122K/R126K定位於生長花粉管的質體或細胞質（圖1a），發現細胞質中的ATP濃度高於質體間質（圖1b，c），說明質體不是花粉中ATP的主要來源。線粒體複合物I抑制劑魚藤酮可引起胞質和間質ATP水平輕度但顯著降低（圖1d，e），因此線粒體是ATP提供主要來源。
圖1 生長花粉管ATP的來源
在非光合質體中NADPH的產生也有兩個可能的來源：非氧化磷酸戊糖途徑（oxidative pentose phosphate pathway，OPPP）和NADP蘋果酸酶（NADP-ME）。在花粉萌發培養基中孵育4 h後，nadp me4突變體的花粉粒的花粉管比WT短（圖2a-d），花粉中NADP-ME4功能的喪失導致質體內NADPH水平的輕度下降（圖2e，f）。因此，NADP-ME4是花粉管生長所必需的，並為花粉質體提供NADPH。接著，研究人員明確了OPPP是否也在花粉質體內產生NADPH。在較寬的濃度範圍內（10-500 μM），OPPP抑制劑6-AN對花粉管的萌發和生長沒有顯著影響，儘管較高劑量（5 mM）的處理導致花粉管變短但變寬（圖2h-j）。此外，在WT背景下，5 mM 6-AN處理30分鐘並沒有降低TKTP-mCherry-iNAP4生物傳感器的質體NADPH水平（圖2e，f），進一步支持了NADP-ME4是生長花粉管質體中主要NADPH提供者的觀點。然而，在nadp-me4突變體中阻斷OPPP加劇了其花粉管生長缺陷（圖2）。因此，OPPP和NADP-ME通路都為花粉管生長提供NADPH，但NADP-ME是質體中NADPH的主要來源。
圖2 花粉質體中NADPH的來源
在花粉質體中，丙酮酸可以通過轉位子BASS2（SODIUM SYMPORTER FAMILY PROTEIN2）從細胞質中導入，也可以通過蘋果酸的氧化脫羧或磷脂烯醇丙酮酸（PEP）在質體糖酵解過程中合成。NADP-ME4對蘋果酸的氧化脫羧是NADPH的主要來源，NADPH也應該為質體提供大量的丙酮酸。鑑於此，研究人員探究了花粉管生長的質體中丙酮酸的來源。結果表明，由於質體糖酵解提供了大量的基質ATP，蘋果酸脫羧和質體糖酵解都為花粉質體提供丙酮酸。但是，丙酮酸脫氫酶旁路在擬南芥花粉管生長中不是必需的。
FA的組成部分乙醯輔酶A（acetyl-CoA）可以分別由丙酮酸或乙酸通過PDH旁路的pPDH或ACS1催化生成。90 μM AEP（PDH抑制劑）處理的花粉發芽率較低，花粉管略短，而5 μM雙硫侖（ALDH抑制劑）處理顯著降低了花粉萌發率和花粉伸長，並導致花粉管尖端破裂（圖3a-d）。因此，質體PDH旁路途徑是花粉管生長過程中為FA生物合成提供乙醯輔酶A的關鍵通路，而雙硫侖對花粉管生長的抑制可能是由於對多種ALDHs的一般性和非特異性抑制。在PDH旁路途徑中，乙醛被ALDH轉化為醋酸酯。研究發現，乙醛可能在線粒體中被ALDH2B7轉化為乙酸，而在質體中則不。acs突變體中缺乏生長缺陷，表明PDH旁路在擬南芥花粉管生長中不是必需的，這使得質體PDH通路成為FA生物合成中乙醯輔酶A的關鍵來源。
圖3 質體PDH和PDH旁路在花粉管生長中的作用
在非光合質體中有五種可能的NADH來源：質體糖酵解、pPDH、pNAD-MDH（NAD-malate dehydrogenase）、質體ALDH和pPGDH（質體3-磷酸甘油酸脫氫酶）。研究發現，擬南芥中編碼質體酶的兩個ALDHs（AtALDH3I1和AtALDH10A8）在花粉管中不表達，排除了乙醛轉化為乙酸在質體中釋放NADH的可能性。此外，AEP和雙硫侖處理降低了細胞質和質體的NADH/NAD+比值，但沒有降低NADPH水平（圖4a-d）。這表明質體PDH通路和線粒體ALDH分別在質體和線粒體中提供大量的NADH。進一步研究發現，pPGDH1的轉錄水平在花粉管中明顯上升。pPGDH通路應該是花粉管生長絲氨酸的主要來源，因為沒有光呼吸作用。因此，質體糖酵解和pPDH，可能還有pPDGH是花粉管生長過程中NADH的主要來源。
圖4 花粉質體中NADH的來源
綜上所述，研究人員通過監測擬南芥（Arabidopsis thaliana）花粉管亞細胞水平上ATP和NADPH濃度的動態變化以及NADH/NAD+比值，揭示了花粉管生長的能量代謝的過程，並說明了花粉質體如何獲得ATP、NADPH、NADH和乙醯輔酶A進行脂肪酸生物合成（圖5）。與菸草和百合等其他植物相比，植物的發酵作用（fermentation）和丙酮酸脫氫酶旁路在擬南芥花粉管生長中不是必需的。
圖5 擬南芥花粉管生長的生物能學模型
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35486-w
溫馨提示：本文轉自「MP植物科學」，文章轉載只為學術傳播，無商業用途，版權歸原作者所有，如涉及侵權問題，請聯繫我們，我們將及時修改或刪除。