受精依赖的韧皮部末端 “大门” 调控种子大小：解锁作物增产新机制

本文揭示了植物种子发育的新机制，发现胚珠合点端的 “大门” 组织（韧皮部末端，PE）可调控营养物质向种子的运输。受精时 “大门” 打开，未受精时关闭，相关基因（AtBGppap）能影响种子大小，该机制在拟南芥和水稻中均存在，为提高作物产量提供了新方向。

　　### 研究背景
种子大小是植物育种和作物产量的关键性状，尽管已发现一些与正常种子大小相关的基因，但多数基因对表型直接影响的分子机制尚待研究。植物受精后，从传输组织向发育种子供应营养的分子机制也未完全明晰，且受精是否为启动或维持正常种子形成所需的营养运输仍需详细探究。

研究发现

1. 胼胝质沉积与受精的关系：研究人员对去雄和授粉花朵的胚珠进行染色观察，发现未受精（无花粉管或 gcs1 突变体花粉授粉）的胚珠，在合点端的韧皮部周围有显著的胼胝质沉积，且信号强度随时间增加；而受精的野生型（WT）胚珠，胼胝质信号在授粉 1 天后出现，随后减弱。这表明受精成功时，胼胝质不在合点端积累，受精失败时则持续沉积。
2. 胼胝质降解酶基因的鉴定：编码胼胝质降解酶 β - 1,3 - 葡聚糖酶的基因在拟南芥中是一个大家族。通过同源性搜索和表达谱比较，发现 AtBG_ppap基因在受精后表达上调，且其表达与胼胝质降解和种子大小增加相关。利用 CRISPR 技术创建 Atbg_ppap突变体，该突变体蛋白为截短形式。
3. 韧皮部末端（PE）结构的确定：利用韧皮部标记 MtSEO2::GFP - ER 观察发现，PE 在 1 天未授粉时呈分支结构，2 天授粉时变为圆形结构，这是其最终形态。对 Atbg_ppap突变体表型研究发现，其胚珠在受精后仍有持续的胼胝质沉积，且沉积结构与 PE 最终形态相同。在水稻中也观察到类似现象，表明受精后 AtBG_ppap去除胼胝质与营养运输相关。此外，研究还发现蔗糖转运蛋白 SWEET10 在 PE 的特定部位表达，进一步说明 PE 具有营养卸载和调节营养运输的功能。
4. 胼胝质沉积对营养运输的影响：通过羧基荧光素二乙酸酯（CFDA）实验观察物质从韧皮部进入胚珠的情况，结果显示，在未受精的 gcs1 胚珠中，CF 无法通过 “大门” 进入胚珠主体；在 Atbg_ppap胚珠中，CF 进入胚珠主体受阻；而在 AtBG_ppap过表达（OEAtBG_ppap）的胚珠中，CF 能更顺畅地进入胚珠。这表明胼胝质沉积会阻碍营养物质流入胚珠，而 AtBG_ppap可促进营养运输。
5. 哪种受精方式激活 “大门” 开启：利用 kokopelli（kpl）突变体花粉进行实验，该花粉可诱导不同类型的受精情况。结果发现，中央细胞受精可导致胼胝质降解，营养物质运输发生；而卵细胞单受精时，胼胝质信号仍较强，营养物质运输未发生。这证明中央细胞受精是激活 “大门” 开启、促进营养运输的关键。
6. AtBG_ppap对种子大小的影响：测量成熟种子大小发现，Atbg_ppap突变体产生的种子比 WT 小 8.4%，而 OEAtBG_ppap产生的种子比 WT 大 16.5%。在水稻中过表达 AtBG_ppap基因，种子也增大了 9%。这表明 AtBG_ppap可通过影响营养运输来调控种子大小。
7. OEAtBG_ppap在未受精情况下对种子大小的影响：对拟南芥 fertilization - independent seed 2（fis2）突变体研究发现，其可产生自主胚乳且胼胝质降解，种子大小与 WT 相似。比较 WT 和 OEAtBG_ppap与 gcs1 花粉杂交的种子大小，发现 OEAtBG_ppap在未受精情况下产生的种子比 WT 未受精种子更大。这说明 OEAtBG_ppap即使在未受精时也能促进种子增大。
8. AtBG_ppap对营养物质流动的促进作用：通过对不同受精状态下胚珠的超微结构分析发现，未受精的胚珠淀粉粒小，受精的胚珠淀粉粒较大，而 Atbg_ppap/Atbg_ppap受精胚珠虽有大淀粉粒，但糖外排受阻。这表明 AtBG_ppap促进营养物质从 PE 流向种子，其缺失会影响营养运输，导致种子发育异常。

研究讨论

1. PE 对发育种子营养流动的调控：种子发育的关键在于母本提供的营养，营养通过韧皮部运输到胚珠。研究表明，PE 区域存在胼胝质，受精时胼胝质含量下降，未受精时增加，且 NPT 和 gcs1 胚珠胼胝质沉积差异与花粉管内容物有关。这说明 PE 通过胼胝质沉积调控营养供应，影响种子发育。
2. 受精触发的新营养调控机制：先前已知 PE 是营养卸载区域，但结构未完全明确。本研究发现胼胝质沉积与中央细胞受精相关，中央细胞受精引发胚乳细胞增殖，进而触发 “大门” 开启，促进营养运输。而卵细胞受精不诱导 “大门” 开启，可能是因为胚胎细胞远离卸载区域。此外，Polycomb 组突变体的研究也进一步证实了中央细胞受精与胼胝质降解的关联。
3. 开启 PE “大门” 的关键酶 AtBG_ppap：通过对编码 β - 1,3 - 葡聚糖酶基因的研究，确定 AtBG_ppap是开启 PE “大门” 的关键酶。在未受精的 gcs1 胚珠中，营养流被完全阻断，而 Atbg_ppap胚珠营养部分受阻，OEAtBG_ppap胚珠可在未受精时增大，这些都与 AtBG_ppap对胼胝质的降解作用有关。
4. CFDA 和七叶苷（esculin）在 PE “大门” 的流动可视化：AtBG_ppap是参与胼胝质降解的膜结合蛋白，其缺陷会影响共质体系统。通过 CFDA 和 esculin 实验观察到，营养物质最初主要通过共质体途径运输，但果实和种子发育过程中也存在质外体途径。Atbg_ppap仍能产生种子，可能与其他冗余蛋白或两种途径的共同调节有关，而胼胝质在营养运输中的具体作用还需进一步研究。
5. AtBG_ppap对拟南芥和水稻种子大小的调节：与其他调节种子大小的基因不同，AtBG_ppap通过胼胝质 - 阻断系统调节营养流动，其过表达可增大种子。在水稻中也发现了类似的结构和机制，这为提高种子作物产量提供了新的策略。
6. 植物的 “明智” 策略 —— 胼胝质阻断系统：植物此前被发现有受精恢复系统，本研究揭示了另一种策略 —— 胼胝质阻断系统。该系统可防止营养浪费，优先为受精胚珠提供营养。AtBG_ppap是调节营养流效率的关键基因，但仍有许多问题有待进一步研究，如中央细胞受精的识别机制、信号传导以及 AtBG_ppap的细胞定位等。

本研究揭示了植物种子发育过程中营养运输的新机制，为理解植物繁殖和提高作物产量提供了重要理论依据，同时也为未来农业生产中的种子改良提供了潜在的分子靶点和策略。