港大生物学家揭示了维持花粉管快速生长的生物能学

由香港大学(港大)生物科学学院林文量博士领导的研究小组开发了实用的生物传感器，以实时测量植物细胞和细胞器的能量流动态变化，揭示拟南芥花粉管如何获得能量以维持其快速生长。

　　

   

   

图片:能量生物传感器在测量花粉管生长中的应用    

植物有性生殖需要花粉落在柱头上，柱头通过花柱萌发并长出花粉管，将精细胞输送到胚珠。花粉管是已知生长最快的植物细胞。研究表明，玉米花粉管的生长速度可达2.8微米/秒，而百合花粉管的生长速度也可达0.2 ~ 0.3微米/秒。它的极化生长过程消耗了大量的能量，这涉及到质体、细胞质和线粒体之间的协调能量通量。如此惊人的生长速度需要高效而巨大的能量来进行代谢和质膜、细胞壁的持续合成——问题是:能量从何而来?

由香港大学(港大)生物科学学院林文量博士领导的研究小组开发了实用的生物传感器，以测量活植物细胞和细胞器中能量流的实时动态变化，这揭示了拟南芥花粉管如何获得能量以维持其快速生长。

与叶细胞不同，花粉管不进行光合作用，主要依靠花柱供糖产生三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)等能量分子来支持花粉管生长。脂肪酸(FA)是花粉管质膜的组成部分，是在花粉质体中合成的，花粉质体是叶绿体的前体细胞器，不含叶绿素。花粉质体中FA的合成需要大量的ATP、NADPH、NADH和重要的代谢中间体乙酰辅酶a (acetyl- coa)。ATP、NADPH、NADH和乙酰辅酶a有多种可能的途径用于FA的合成，但由于花粉管体积小，缺乏测量花粉质体和细胞质中ATP、NADPH和NADH浓度的工具，其确切机制尚不清楚。

由Boon Leong Lim博士领导的研究小组最近在《自然通讯》杂志上发表了他们的发现。该团队开发了第二代荧光NADPH和NADH/NAD+比值蛋白质传感器，并将这些生物传感器引入到植物拟南芥花粉管的质体和细胞质中，从而揭示花粉管生长的生物能学。

通过对萌发花粉管进行药物处理，发现线粒体呼吸作用是植物拟南芥花粉管胞质ATP的主要来源。质体ATP主要由质体糖酵解提供，也可通过质体膜上的核苷酸转运体(NTT)从细胞质中输入。对于质体NADPH的供应，质体苹果酶NADP-ME4是比氧化磷酸戊糖途径(OPPP)更重要的途径。

虽然无氧呼吸和丙酮酸脱氢酶(PDH)旁路被认为是烟草花粉管中为质体FA合成提供乙酰辅酶a的重要途径，但这些途径在拟南芥花粉管生长中并不重要。相反，质体糖酵解是脂肪酸合成中乙酰辅酶a更重要的来源。

NADH和NAD+在质体中的转化似乎要复杂得多。虽然质体糖酵解和质体PDH途径产生了大量的NADH来合成FA，但多余的NADH必须通过nadd -苹果酸脱氢酶(plnadd - mdh)在花粉质体中转化回NAD+来维持质体糖酵解。

本研究不仅开发了更实用的生物传感器，可以实时测量活植物细胞和细胞器中ATP、NADPH、NADH/NAD+的动态变化，而且揭示了花粉质体中为FA合成提供ATP、NADPH、NADH和乙酰辅酶A的确切生化途径。

这篇文章的第一作者、Lim团队的博士生刘金红女士评论说:“我们开发的植物荧光蛋白传感器是解决植物生物能学一些关键问题的强大工具。我们很高兴在2022年的《自然通讯》上发表两篇关于我们使用这种新技术的发现。”

文章标题

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