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在全球变暖背景下，高温威胁作物繁殖，花粉对高温敏感，但相关机制不明。兰州大学研究人员开展 “热稳定蛋白 PGSL1 增强高温下花粉萌发和花粉管生长” 研究，发现 PGSL1 可稳定肌动蛋白丝（F-actin），促进花粉耐高温，为提升作物抗逆性提供策略。
在全球气候变暖的大环境下，极端高温事件越来越频繁，就像一场场 “热灾难” 席卷而来。这对全球农业生产造成了巨大威胁，尤其是在作物的生殖阶段，高温就像一个 “捣乱分子”，严重影响着植物的生长和发育，特别是被子植物的繁殖过程。其中，雄性配子体（花粉）的发育、花粉萌发以及花粉管生长对高温尤为敏感。想象一下，在炎热的夏天，花粉就像脆弱的小生命，高温使得它们的发育出现异常，无法正常萌发和生长，最终导致受精失败，作物产量大幅下降。
尽管科学家们对花粉在热胁迫下的发育进行了不少研究，但对于高温如何影响花粉萌发和花粉管生长，仍然知之甚少。肌动蛋白细胞骨架在花粉萌发和花粉管生长中起着至关重要的作用，然而在高温胁迫下，它的动态变化以及相关肌动蛋白结合蛋白（ABPs）的调节机制依旧是个谜。为了揭开这些谜团，探索植物在高温环境下的生存奥秘，兰州大学的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解植物应对高温的机制提供了新的视角，也为提高作物在变暖气候中的适应能力带来了新的希望。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：通过正向遗传学筛选（forward genetic screening），在经甲基磺酸乙酯（EMS）诱变的拟南芥植株中筛选花粉萌发对 Latrunculin B（LatB）敏感的突变体；运用全基因组重测序分析技术，确定突变基因；利用 qRT-PCR、GUS 染色等技术分析基因的表达模式；借助共沉淀实验（co-sedimentation assay）、荧光显微镜观察等方法研究蛋白质与肌动蛋白的相互作用及蛋白特性；使用基因编辑技术（CRISPR/Cas9）构建突变体进行功能验证。
研究结果如下：
- 花粉萌发 LatB 敏感突变体的分离与鉴定：研究人员通过正向遗传学筛选，获得多个花粉萌发对 LatB 敏感的突变体（pgsl 突变体），重点研究 pgsl1-1 突变体，发现其 AT5G64180 基因发生突变。进一步获得 pgsl1-2 T-DNA 插入突变体，实验表明，PGSL1 功能缺失使花粉萌发对 LatB 更敏感，但在常温下不影响雌雄配子体功能。
- PGSL1 的特性研究：PGSL1 编码一种植物特有的 158 个氨基酸的蛋白质，在植物中高度保守且广泛存在。体外实验证明，PGSL1 能与 F-actin 结合，是一种 ABP，可稳定 F-actin，防止其被 LatB 解聚。同时，PGSL1 具有高蛋白质热稳定性，其 α - 螺旋结构可能是热稳定的结构基础。
- PGSL1 的定位与功能分析：PGSL1 在植物各组织中均有表达，定位于细胞质并在花粉管尖端积累，其在花粉管顶端的聚集依赖完整的肌动蛋白细胞骨架。研究发现，pgsl1-2 突变体的花粉萌发和花粉管生长对高温更敏感，PGSL1 过表达在常温下促进花粉萌发和花粉管生长，但在高温下抑制该过程。
- PGSL1 对 F-actin 的保护作用：圆二色谱（CD）分析表明，PGSL1 可通过自身热稳定特性影响 F-actin 稳定性，提高 F-actin 的解链温度（Tm），促进高温下 F-actin 的稳定，保护其免受高温变性和聚集。
- PGSL1 关键耐热位点及作用机制：研究确定了 PGSL1 蛋白的关键耐热氨基酸位点 Ser（S）129，突变该位点会降低 PGSL1 的热稳定性，但不影响其 F-actin 结合活性。携带该突变的 PGSL1-S129F 不能补偿 pgsl1-2 突变体的热敏感表型，表明 PGSL1 通过其耐热性促进花粉萌发和花粉管生长的耐热性。
- PGSL1 对花粉管肌动蛋白稳态及囊泡运输的影响：随着温度升高，花粉管中 F-actin 荧光强度下降、束状化程度增加，且这种变化是可逆的。pgsl1-2 突变体在高温下，花粉粒和花粉管中 F-actin 稳定性降低，整体动力学更不稳定。同时，在高温条件下，PGSL1 在花粉管顶端分泌和回收囊泡的积累与运输中起关键作用，pgsl1-2 突变体中相关囊泡的分布和积累出现异常。
研究结论和讨论部分指出，该研究鉴定出拟南芥中一种植物特有的 ABP——PGSL1，它在高温下介导肌动蛋白细胞骨架的动态组装，促进花粉萌发和花粉管生长。PGSL1 可能与其他 ABPs 协同调节肌动蛋白细胞骨架的动态变化。其高热稳定性确保在高温下保持活性，保护 F-actin 免受高温变性，维持花粉管中肌动蛋白的稳态，进而保证花粉管在高温下正常生长。这一研究为揭示高温下花粉中肌动蛋白细胞骨架的组织和动态调节机制提供了重要线索，也为提高作物在变暖气候中的抗逆性提供了潜在策略，有助于保障全球粮食安全，具有重要的理论和实践意义。
