Science：新研究揭示花粉管尖端生长缺陷诱导新形成的多倍体植物不育

大多数哺乳动物和人类都有双套染色体，植物通常也是如此：一组来自父本，另一组来自母体。这类生物被称为二倍体。不过，有时染色体组的数量会从一代到下一代增加一倍：一个二倍体生物突然变成了四倍体生物，即它有四组染色体。

与多基因组在人类中通常是致命的情形不同，多倍体对受影响的植物有好处。具有多个基因组的植物能更好地适应环境，耐盐或耐旱。此外，它们通常能结出更大的种子或果实，产量也更高，这些都是未来农作物有望具备的特性。

但有一点：在植物物种中，新形成的多倍体个体通常完全或几乎完全不育，不容易繁殖。这些植物不育的原因尚未完全清楚。

控制花粉管的基因

如今，在一项新的研究中，瑞士苏黎世联邦理工学院的分子植物进化遗传学教授Kirsten Bomblies和她的团队发现了一种以前从未认识到的多倍体繁殖力降低的机制。他们发现在新形成的多倍体植物中，花粉管不能正常生长。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Defective pollen tube tip growth induces neo-polyploid infertility”。

正常情况下，在授粉过程中粘附在花柱头上的花粉粒会萌发长成一条长管，这条长管笔直地、不分叉地穿过子房长到胚珠处，在那里受精。

这些作者观察到，在新形成的多倍体植物中，花粉管并不是直的，也不够长。Bomblies说，“在我们的实验中，我们观察到了多种形状的花粉管。这些花粉管可能是弯曲的、分叉的、短的，甚至是爆裂的，但没有一根花粉管能到达目的地。”这意味着位于花粉管顶端的雄配子无法与植物的雌配子融合。

Bomblies 和她的同事们在沙生拟南芥（Arabidopsis arenosa）中研究了这一现象。这种野花在自然界中有两种类型：一种是双套染色体（像我们一样），另一种是四套染色体。四倍体沙生拟南芥成功克服了基因组加倍（genome duplication）的缺点，可以在独立的种群中繁衍生息。

在早先对这种四倍体沙生拟南芥种群的研究中，Bomblies团队已发现与这种植物生育力有关的基因，这些基因在四倍体沙生拟南芥中进化出了新的变体。如今，在这项新的研究中，他们又从这些基因出发，找出了它们产生的性状。这与进化遗传学中更常见的方法不同，在进化遗传学中，科学家们从性状（表型）入手，试图找出导致该性状的基因。

一株新四倍体沙生拟南芥植物中的异常花粉管。图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adh0755

通过反向遗传搜索，这些作者发现两个基因AGC1和ACA8控制着花粉管的生长。更重要的是，在已建立的四倍体沙生拟南芥种群中，这两个基因往往与二倍体沙生拟南芥中的对应基因略有不同。Bomblies说，“换句话说，进化已找到了一种方法，可以将这两个基因的差异降到最低，从而使四倍体个体具有生育能力。”

对植物育种的益处尚不明确

迄今为止，科学家们尚未揭开新形成的多倍体植物不育的所有秘密。Bomblies 说，“我们目前正在研究同样参与花粉管生长的其他候选基因。”

这些新发现能否应用于植物育种还有待研究。不过，这两个基因是“高度保守的”。这意味着它们在生物进化过程中一直保存下来，并能在不同物种中找到。

因此，Bomblies 认为有可能将这两个基因转移到其他物种中。目前，她正与她的研究团队为此而努力：他们正在测试是否能将这两个基因转移到沙生拟南芥的近亲——拟南芥（Arabidopsis thaliana）中。她说，“如果我们能成功地将基因构造体转移到另一个物种中，这将为培育新作物带来一些有趣的可能性。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jens Westermann et al. Defective pollen tube tip growth induces neo-polyploid infertility. Science, 2024, doi:10.1126/science.adh0755.

Twisted pollen tubes induce infertility

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/04/twisted-pollen-tubes-induce-infertility.html