作者：李晶、李紫文
被子植物通过有性生殖完成世代交替，形成种子。被子植物雄配子体释放出来的花粉中的两个精细胞，通过有序生长的花粉管，到达胚珠，分别与卵细胞和中央细胞极核相结合，完成受精过程。因此，花粉管的生长是决定被子植物有性生殖过程成功与否的重要一环，也是决定谷物产量的重要基础之一。
高温影响植物生长和发育，特别是被子植物的有性生殖过程。雄配子体比雌配子体对高温胁迫更敏感。高温导致花粉发育异常，降低花粉活力，降低花粉萌发率并抑制花粉管生长。大多数被子植物的双受精发生在炎热的夏季，研究高温条件下花粉的萌发和花粉管的生长过程，对于阐明被子植物有性生殖过程对高温的适应性进化，以及高温条件下谷物的稳产至关重要。
2023年11月6日，兰州大学向云课题组在The Plant Cell杂志发表了题为“ Evolution of the thermostability of actin-depolymerizing factors enhances the adaptation of pollen germination to high temperature ”的研究论文，通过对拟南芥基因组中11个微丝解聚因子（actin-depolymerizing factors，ADFs）蛋白质热稳定性的系统和深入研究，揭示了在顶端生长细胞（包括花粉）中特异积累的ADFs表现出高的热稳定性以及该特性可能的进化起源途径，反映了被子植物有性生殖过程对高温的适应性进化。
花粉管是被子植物中生长最快的细胞，且表现出极性生长特性。花粉萌发和花粉管生长需要细胞壁、细胞膜和功能蛋白的极性运输。肌动蛋白细胞骨架的适当形态和动态变化对于该过程不可或缺。微丝的结构和动力学受到肌动蛋白结合蛋白（actin binding proteins，ABPs）的精细调控。高温严重影响肌动蛋白细胞骨架以及微丝介导的囊泡和物质的极性运输。ADF/cofilin是真核生物中一类高度保守的ABPs家族，其通过切割和解聚微丝，促进微丝的动态周转，以实现对多种细胞生物学过程的参与和调控。ADF/cofilin的活性受到不同信号和蛋白的调控。因此， ADF/cofilin家族蛋白在细胞生物学中被称为稳态调节因子或“功能节点”。
为探究拟南芥ADFs基因家族成员（AtADFs）在高温条件下的蛋白稳定性，该研究对拟南芥ADF蛋白家族的11个成员进行了高温耐受性分析。通过水浴对蛋白进行处理，发现拟南芥ADF蛋白家族之间的热稳定性差异明显。其中，在顶端生长细胞中特异表达的Sub II AtADFs具有最高的热稳定性，其次是Sub IV AtADFs，Sub I AtADFs的热稳定性较低，Sub III AtADFs的热稳定性最低。由于Sub II AtADFs在顶端生长细胞中特异表达，因此推测高温条件下被子植物顶端的快速生长可能需要Sub II AtADFs的高热稳定性（图1）。
图1. AtADF蛋白的热稳定性分析
随后，研究人员发现AtADF7（属于Sub II AtADFs）和AtADF4（属于Sub I AtADFs）之间的耐热性差别主要来源于两者蛋白质N端的4个氨基酸差异位点。通过重构AtADF蛋白的最近共同祖先序列和其他祖先序列，发现最古老的ancADF-A以及由ancADF-A进化出的ancADF-I具有高的热稳定，而由ancADF-A进化出的ancADF-B由于丢失了部分热稳定性位点而表现出显著降低的热稳定性。通过进一步研究，发现系统进化关系中由ancADF-B进化出的两支ADF蛋白具有不同的热稳定性。一支是ancADF-C/D/E和Sub I AtADFs，表现出低的热稳定性；另一支是ancADF-F/G/H和Sub II AtADFs，表现出高的热稳定性（图2）。随后研究发现ancADF-A的热稳定位点仅在Sub IV AtADF6s中被部分保留，但在其他亚家族的进化过程中完全丢失。然而，在产生Sub II AtADFs的进化过程中，ancADF通过积累新的热稳定位点产生高的热稳定性。这些结果表明，AtADF蛋白热稳定性的进化不是线性的变化，而是一种波浪式的变化，导致被子植物顶端生长细胞中特异表达的Sub II AtADFs具有很高的热稳定性。
图2. 重构祖先ADF蛋白揭示AtADFs的高热稳定性
为研究AtADF7的耐热位点在被子植物的保守性，研究人员分析了12种被子植物中与AtADF7同源的蛋白序列，发现这些蛋白的耐热位点在不同物种间高度保守。这些被子植物AtADF7直系同源蛋白在60℃处理45 min后具有较高的热稳定性。此外，通过对已发表的报道和数据进行分析，发现许多AtADF7直系同源蛋白也主要在花粉中表达。以上结果表明，AtADF7高热稳定性的关键耐热位点在被子植物中具有保守性，且该特性可能与花粉的正常功能相关。
为验证花粉表达的Sub II型AtADFs（AtADF7和AtADF10）的高热稳定性在拟南芥有性生殖中的作用，研究人员分析了花粉在不同温度下的萌发和花粉管生长情况。在正常培养温度下（22℃），adf7的花粉萌发与野生型（WT）无显著差异，但其花粉管较短，花粉管生长速率较低。当温度升高到37℃、38.5℃或40℃时，虽然WT的花粉萌发率有所下降，但是 adf7 的花粉萌发率显著低于WT。 adf10 的表现与 adf7 相似。随着温度升高，WT花粉粒中微丝荧光强度降低，表明高温抑制花粉萌发与花粉粒中微丝骨架相关。
另外，为研究AtADF7的高热稳定性对高温下花粉萌发的特异性，研究人员检测了不同高热稳定性的ADF蛋白对 adf7 花粉萌发高温敏感性的补偿作用。结果发现，AtADF8和ancADF-A可以恢复 adf7 花粉萌发的高温敏感性。该结果表明，虽然ADF蛋白的高热稳定性在被子植物的有性生殖过程中发挥不可缺少的重要功能，但是该功能并不具有氨基酸位点的特异性。
综上所述，该研究揭示了ADF蛋白在被子植物中高热稳定性的进化历程和形成机制，以及微丝细胞骨架在高温下调节拟南芥花粉萌发的机制。此外，研究人员认为花粉特异表达的ADFs可能代表了被子植物有性生殖过程对高温的适应性进化，以帮助植物在细胞生物学水平上适应高温。该研究为解析高温引起花粉败育的机制提供了新结果，为推动解决高温条件下作物的稳产提供了新思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1093/plcell/koad280
