PbrBGAL6 基因：调控梨花粉管生长的关键因子 —— 为打破梨自交不亲和性提供新视角

《BMC Genomics》：PbrBGAL6 promotes pollen tube growth by influencing apical pectin level in Pyrus bretschneideri

为解决梨自交不亲和（SI）导致人工授粉成本增加的问题，安徽科技学院等机构的研究人员开展了关于 β - 半乳糖苷酶（BGAL）对梨花粉管生长（PTG）影响的研究。结果发现 PbrBGAL6 基因可调节花粉管顶端果胶含量来调控 PTG，为优化 PTG 机制提供了依据。

　　在繁花盛开的植物世界里，许多植物为了避免近亲繁殖带来的不良后果，进化出了一种神奇的机制 —— 自交不亲和（SI） 。这种机制就像植物的 “爱情过滤器”，阻止了同一植株上花粉与雌蕊的结合，从而促进了杂交，保持了植物的多样性。在超过 100 个植物家族中都能发现它的身影。可对于梨树种植者来说，这却成了一个大麻烦。梨具有典型的配子体自交不亲和机制，雌蕊中的 S - RNase 会触发有毒的级联信号，抑制花粉管生长（PTG），导致花粉管细胞程序性死亡，无法完成双受精，大大影响了果实产量。为了提高产量，人们不得不采用人工授粉的方式，但这无疑增加了生产成本。所以，揭示梨花粉管生长的机制，打破自交不亲和性，培育出高品质的自交亲和种质，成为了摆在科研人员面前的重要课题。

安徽科技学院和南京农业大学的研究人员勇挑重担，针对这一问题展开了深入研究。他们的研究成果发表在了《BMC Genomics》上，为解决梨树种植难题带来了新的希望。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 生物信息学分析：通过筛选数据库，对基因进行鉴定和特征分析，包括基因结构、保守结构域、系统进化关系等。
2. 实时定量 PCR（qPCR）技术：用于检测不同组织和花粉管发育阶段基因的表达水平。
3. 反义寡脱氧核苷酸（as - ODN）技术：抑制 PbrBGAL6 基因的表达，以研究其对花粉管生长的影响。
4. 多种染色和检测技术：如用钌红染色检测总果胶含量，免疫荧光技术检测甲基化果胶，以探究基因表达变化对花粉管细胞壁成分的影响。

下面来看看具体的研究结果：

1. PbrBGAL 家族成员的鉴定：研究人员在梨基因组中成功鉴定出 12 个 PbrBGAL 基因，并根据染色体位置命名为 PbrBGAL1 - 12。这些基因编码的蛋白质包含 569 - 897 个氨基酸，分子量在 64.26 - 99.56kDa 之间，等电点为 6.29 - 9.29 。除 PbrBGAL4 定位于细胞质外，其他成员大多定位于细胞壁。
2. PbrBGAL 序列结构和保守性：PbrBGAL 序列包含典型的 GH35 保守序列、SCOP 结构域、GHD 结构域和一个相对不保守的半乳糖结合凝集素结构域，以及两个酶活性位点。通过系统发育分析，12 个 PbrBGAL 被分为 6 个亚类。
3. PbrBGAL 基因的基因组分布和结构：12 个 PbrBGAL 基因分布在 7 条染色体上，主要通过分散复制事件进行扩增。基因结构分析显示，除了亚类 E，其他亚类的外显子 / 内含子结构基本保守。
4. 参与梨花粉管生长的 PbrBGAL 基因的鉴定：qPCR 分析表明，只有 PbrBGAL6 和 PbrBGAL7 在花粉管中高表达，其中 PbrBGAL6 在花药和花粉中特异性高表达，且随着花粉管生长表达水平下降，暗示其与花粉管生长有关。
5. PbrBGAL6 的功能分析：利用 as - ODN 技术抑制 PbrBGAL6 表达后，花粉管长度和顶端宽度显著增加，同时伴有细胞质泄漏。这表明 PbrBGAL6 对花粉管生长起负调控作用。
6. PbrBGAL6 对梨花粉管顶端果胶含量的影响：抑制 PbrBGAL6 表达导致花粉管顶端总果胶和甲基化果胶含量下降。进一步研究发现，这可能是由于 PbrPME11 和 PbrPG14、 - 20、 - 21、 - 24 等基因转录增加所致。

研究结论和讨论部分指出，研究人员成功鉴定了梨基因组中的 12 个 PbrBGAL 基因，其中 PbrBGAL6 在调控梨花粉管生长中发挥着关键作用。它通过影响 PbrPME11 和 PbrPGs 的表达，精确调节花粉管顶端果胶含量，进而调控花粉管生长。这一研究为揭示 BGAL 在极性花粉管生长调控中的作用提供了直接证据，为打破梨自交不亲和性、优化花粉管生长机制奠定了理论基础，有望推动梨树育种技术的发展，提高梨树的产量和品质，在农业生产领域具有重要的应用价值。