拟南芥中三个PP2C磷酸酶通过调控FERONIA受体激酶活性介导花粉-柱头互作的新机制

本研究针对植物受精过程中花粉-柱头互作的关键调控机制展开研究。研究人员发现三个PP2C磷酸酶（PP2CH1、EGR1和EGR2）通过去磷酸化FERONIA（FER）受体激酶活性区段S695/T696位点，抑制其激酶活性，从而调控柱头活性氧（ROS）积累和花粉水合过程。该研究揭示了PP2C-FER信号模块在植物生殖过程中的重要作用，为理解受体激酶活性的精细调控提供了新见解。

　　

在植物有性生殖过程中，花粉与柱头的精准识别是成功受精的关键第一步。对于拟南芥等具有干柱头的植物而言，花粉水合过程受到严格调控，这一过程直接影响后续的花粉管萌发和双受精。近年来研究发现，FERONIA（FER）受体激酶及其同源蛋白ANJEA（ANJ）在调控柱头活性氧（ROS）积累和花粉水合过程中发挥核心作用。然而，FER激酶活性在花粉-柱头互作中的具体功能及其调控机制仍不清楚，这成为理解植物生殖屏障形成的关键科学问题。

华东师范大学生命科学学院的研究人员通过系统研究，揭示了三个PP2C型磷酸酶调控FER激酶活性的分子机制。研究发现PP2CH1、EGR1和EGR2通过去磷酸化FER激酶结构域中的S695/T696位点抑制其活性，进而调控柱头ROS水平和花粉水合速率。这项重要成果发表在植物学领域权威期刊《Plant Communications》上，为理解植物受体激酶活性的动态调控提供了新视角。

研究人员主要运用了以下关键技术：酵母双杂交筛选PP2C与FER的相互作用；分裂荧光素酶互补和双分子荧光互补验证蛋白互作；体外去磷酸化实验结合质谱分析鉴定关键磷酸化位点；CRISPR-Cas9构建多基因敲除突变体；ROS荧光探针H₂DCF-DA定量检测；以及花粉水合实时追踪分析等实验方法。

研究首先证实了FER激酶活性对柱头ROS积累的必要性。通过构建激酶失活突变体FER^K565R，发现其无法恢复fer-4突变体中降低的ROS水平和加快的花粉水合速率。这一结果明确了FER激酶活性在花粉-柱头互作中的关键作用。

通过表达谱分析和酵母双杂交筛选，研究人员鉴定出三个与FER相互作用的PP2C磷酸酶：PP2CH1、EGR1和EGR2。这些磷酸酶均能与FER和ANJ在质膜上形成复合物。体外实验证实它们可直接去磷酸化FER激酶结构域，质谱分析将作用位点精确定位于激活区段的S695/T696。

遗传分析显示，pp2ch1 egr1 egr2三突变体柱头中ROS水平显著升高，花粉水合速率明显减慢。而当这些PP2C突变与fer anj双突变杂交后，五突变体的表型与fer anj双突变相似，证实这些PP2C通过FER/ANJ信号通路发挥作用。

研究人员进一步构建了FER^S695A/T696A（磷酸化缺陷型）和FER^S695D/T696D（磷酸化模拟型）转基因植株。结果显示，FER^S695A/T696A无法恢复fer-4突变体的ROS缺陷表型，而FER^S695D/T696D则完全互补了突变体表型。此外，RALF23肽段处理可显著增强FER S695/T696位点的磷酸化，且在PP2C三突变背景下这种增强更为明显。

该研究首次阐明了PP2C磷酸酶通过调控FER受体激酶活性区段S695/T696的磷酸化状态，进而精细调控柱头ROS水平和花粉水合过程的分子机制。这一发现不仅丰富了我们对植物受体激酶活性调控的认识，也为理解植物生殖隔离和杂交障碍的形成提供了新思路。特别值得注意的是，该研究揭示了不同组织器官中FER激酶活性可能存在差异调控模式，这为后续研究植物发育过程中信号转导的特异性调控指明了方向。研究建立的PP2C-FER-ROS调控模块，可能也适用于其他植物环境响应和发育过程的调控机制研究。