微丝骨架感知pH梯度调控花粉管生长的新机制

　　

细胞质pH值维持在一定范围对于细胞发挥正常的功能和代谢至关重要。蛋白质或蛋白质复合物在执行细胞生理学功能时如何感知并受到胞质pH的精确调控还了解甚少。花粉是开花植物在演化过程中产生的一种特殊细胞类型，通过萌发长出一个管状的结构，即花粉管；花粉管在花柱道组织中快速生长最终将两个不能运动的精细胞运送至胚囊，实现开花植物特异的双受精过程。花粉管的生长只发生在其尖端部位，这种特殊的极性生长方式又被称为“顶端生长”。和这种特殊的极性生长习性相对应的是，花粉管的原生质出现了显著的极性分布和明显的分区现象。花粉管不同区域的原生质表现出一些特定的性质，包括微丝骨架具有特定的空间排布和动态特性、囊泡形成特异的聚集、离子形成规律的分布等。其中质子（H+）在生长的花粉管顶端形成从尖端往后的浓度梯度分布，即所谓H+浓度梯度（pH梯度）。众所周知，pH梯度的存在对于花粉管极性生长是必须的，但pH梯度如何调控花粉管极性生长并不清楚。过去的研究表明，胞质pH能够调控花粉管微丝骨架动态组装，但潜在的分子机制有待于解析。

2023年8月23日，清华大学生命科学学院黄善金课题组在《细胞生物学杂志》(Journal of Cell Biology)期刊在线发表题为“ADF异构体对pH梯度的敏感性差异促进花粉管生长”（Differential sensitivity of ADF isovariants to a pH Gradient promotes pollen tube growth）的论文。在该项工作中，研究者发现拟南芥花粉特异表达的两个高度同源的微丝解聚因子（actin-depolymerizing factor; ADF）ADF7和ADF10在解聚微丝时具有不同的pH偏好性。体外生化分析发现，ADF7和ADF10分别在酸性pH和碱性pH下具有更高的微丝解聚活性。从微丝解聚功能的pH偏好性来看，ADF7是一个特殊的微丝解聚因子，而ADF10则是一个典型的微丝解聚因子。当敲除ADF7时，虽然没有对花粉管中微丝的整体含量产生较大的影响，但增加了微丝在酸性顶端的含量，表明ADF7对花粉管顶端微丝的动态周转起到了不可替代的作用。伴随花粉管顶端微丝含量的增加，研究者发现囊泡在花粉管顶端部位的聚集受阻。而敲除ADF10以后，花粉管亚顶端碱性带附近的微丝排布出现了明显的紊乱，影响了囊泡向花粉管顶端的运输和聚集，抑制花粉管生长。这些结果表明ADF7和ADF10的微丝解聚活性对pH梯度的差异反应具有生物学意义。两者之间的合作促进了微丝骨架与pH梯度的功能协作，保证了囊泡定向运输和顶端聚集的高效进行，推动花粉管极性生长。研究者还发现，特殊pH偏好性的花粉ADF因子也存在于其它开花植物，表明不同pH偏好性的ADF因子和pH梯度协作调控微丝骨架动态组装促进花粉管极性生长的机制在进化上是保守的。该项工作也表明花粉管是一个理想的细胞学系统研究蛋白质或蛋白质复合物的功能如何受到胞质pH的精确调控。

黄善金课题组已出站博士后王娟、在站博士后沈江锋、2016级博士生徐雅楠和已出站博士后蒋玉祥为本文的共同第一作者，已出站博士后屈晓璐、2015级博士生赵婉滢和2019级博士生王英杰共同参与了该项工作。黄善金教授为本文的通讯作者，该研究受到了国家自然科学基金委项目的资助。

文章链接：Differential sensitivity of ADF isovariants to a pH gradient promotes pollen tube growth | Journal of Cell Biology | Rockefeller University Press (rupress.org)

图一、ADF7和ADF10与pH梯度协作调控花粉管微丝动态的作用模型