曲乐庆研究组揭示淀粉代谢调控花粉育性的分子基础
图: 水稻花粉中淀粉代谢的分子模型
花粉中储藏的淀粉为花粉发育、萌发及花粉管伸长提供能量及碳骨架，对于花粉的生物学功能和育性起着决定性作用。瞬时淀粉降解后主要以麦芽二糖形式运输到细胞质中。歧化酶2（DPE2）将麦芽二糖降解成葡萄糖，葡萄糖再经下游系列酶的催化进一步合成蔗糖，为植株的营养生长提供原料及能量。虽然DPE2的功能在拟南芥和马铃薯中已有零星报道，但其在植物育性中的功能却未见报道。
中国科学院植物研究所曲乐庆课题组通过CRIPSR-Cas9技术获得了水稻dpe2突变体。dpe2突变体生长发育正常，但结实率显著降低。正反交试验结果显示该突变体为雄性不育。进一步研究发现， dpe2突变体花粉发育正常，但其萌发率和花粉管生长速率均受到明显抑制；dpe2花粉中淀粉、葡萄糖和果糖含量降低，麦芽二糖含量显著升高；培养基中添加葡萄糖或ATP可以部分恢复dpe2花粉的育性表型。研究还发现，dpe2突变体中淀粉磷酸化酶Pho2的表达水平和活性显著升高；pho2突变体呈与dpe2突变体类似的雄性不育表型。虽经多种尝试，仍无法获得纯合的dpe2pho2双突个体。这些结果表明，DPE2催化麦芽二糖降解为葡萄糖，而非其后合成的蔗糖，是花粉萌发和花粉管生长的主要能量来源。Pho2与DPE2功能存在部分冗余。该研究阐释了DPE2影响花粉育性的分子机理，对于解析淀粉代谢控制植物花粉发育和雄性不育的分子机制具有重要理论意义。同时为作物新型雄性不育技术系统的分子设计育种研究提供了借鉴和参考。
该研究成果于2022年10月25日在线发表于Plant Physiology期刊上，植物所在读博士生陈良珂为论文第一作者，曲乐庆研究员为通讯作者。这项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiac496