游离脂肪酸生物合成前体调控芸薹属植物花粉-柱头互作的新机制

本研究揭示了芸薹属植物中游离脂肪酸(FFA)代谢在花粉-柱头互作中的关键作用。研究人员通过代谢组学分析发现，乙酰辅酶A(acetyl-CoA)和丙二酰辅酶A(malonyl-CoA)等脂肪酸合成前体可打破自交不亲和(SI)反应并促进亲和授粉(CP)。研究鉴定出乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)亚基BoBCCP1与FERONIA(BoFER)激酶结构域的相互作用模块，阐明了该信号通路通过调控脂肪酸生物合成决定授粉成败的分子机制，为作物育种提供了新靶点。

　　

在植物繁殖过程中，花粉与柱头之间的精确识别机制一直是科学家们关注的焦点。芸薹属植物具有典型的孢子体自交不亲和(SI)系统，能通过复杂的分子机制阻止自花授粉，促进异花授粉。然而，传统研究多聚焦于S位点基因(SRK/SCR)的识别机制，对代谢调控在授粉过程中的作用知之甚少。近年来，研究发现活性氧(ROS)和RALF肽等新信号分子参与调控这一过程，暗示着更为复杂的代谢网络可能影响授粉成败。特别是在亲和授粉(CP)过程中，花粉萌发和花粉管生长需要大量能量和膜脂合成，但脂质代谢如何参与这一过程的分子机制仍不清楚。

东北林业大学的研究团队以观赏羽衣甘蓝(Brassica oleracea var. acephala)为材料，通过整合代谢组学、分子生物学和遗传学方法，揭示了游离脂肪酸(FFA)生物合成在花粉-柱头互作中的核心作用。研究发现，脂肪酸代谢途径特别是亚油酸和α-亚麻酸代谢途径在亲和授粉过程中显著激活，而外源添加乙酰辅酶A(acetyl-CoA)和丙二酰辅酶A(malonyl-CoA)能完全打破自交不亲和屏障。相反，抑制乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)活性则会显著降低亲和花粉的附着和萌发。进一步研究发现ACCase的关键亚基BoBCCP1与受体激酶FERONIA(BoFER)的激酶结构域直接互作，形成新的信号调控模块。该研究为理解植物授粉的代谢调控机制提供了全新视角，相关成果发表在《Horticulture Research》上。

研究采用的主要技术包括：1)UPLC-MS/MS广泛靶向代谢组学分析自交不亲和与亲和授粉后柱头的代谢物变化；2)离体柱头饲喂实验验证代谢前体(acetyl-CoA/malonyl-CoA)和抑制剂(olumacostat glasaretil/ACC-IN-1)对授粉的影响；3)酵母双杂交(Y2H)、荧光素酶互补(LCI)和免疫共沉淀(Co-IP)技术鉴定BoBCCP1与BoFER的相互作用；4)反义寡核苷酸(AS-ODN)敲低技术分析BoBCCP1在授粉中的功能。

研究结果部分首先通过"差异代谢物的鉴定"发现，亲和授粉后柱头中159个差异代谢物中有28个属于脂类代谢物，其中亚油酸和α-亚麻酸代谢途径显著富集。代谢动力学分析显示9-Hydroxy-13-oxo-10-octadecenoic acid等游离脂肪酸在授粉60分钟后积累达到峰值。在"外源乙酰辅酶A或丙二酰辅酶A完全打破自交不亲和反应"部分，实验证明5 mM乙酰辅酶A处理可使自交花粉管数量增加至约230条，显著高于对照。脂质组分析进一步显示乙酰辅酶A处理促进三酰甘油(TAG)、溶血磷脂酰乙醇胺(LPE)等30种脂质的积累。

"抑制ACCase活性损害亲和授粉反应"的实验表明，使用ACCase抑制剂olumacostat glasaretil(OG)或ACC-IN-1处理后，亲和花粉附着和萌发显著减少。在"BCCP1作为ACCase功能亚基与FERONIA互作"部分，酵母双杂交和免疫共沉淀证实BoBCCP1特异性结合BoFER激酶结构域，且该互作依赖于FER的激酶活性位点K562。序列分析显示BoBCCP1与BoBCCP2仅有44.68%的相似性，且发育表达模式不同。最后通过"BCCP1参与亲和授粉"验证，反义寡核苷酸敲低BoBCCP1可显著抑制亲和花粉管生长，但不影响自交不亲和反应。

研究结论提出了全新的FER-BCCP1调控模块模型：在自交不亲和状态下，激活的BoFER通过结合BoBCCP1抑制ACCase活性，限制游离脂肪酸合成；而在亲和授粉时，PCP-Bs竞争性结合FER释放BoBCCP1，恢复ACCase活性和脂肪酸供应，促进花粉管生长。这一发现不仅揭示了脂质代谢在花粉-柱头识别中的核心作用，还为克服芸薹属作物自交不亲和性提供了新策略——通过调控乙酰辅酶A/丙二酰辅酶A代谢流或靶向修饰FER-BCCP1互作界面，可能实现人工控制授粉亲和性。研究建立的代谢组-分子互作研究范式也为解析其他植物生殖障碍机制提供了方法学参考。