2023年3月30日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李磊課題組在New Phytologist雜志在線發(fā)表了題為“Microspore expressed SCULP1 is required for p-coumaroylation of sporopollenin, exine integrity, and pollen development in wheat”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了小麥多銅氧化酶SCULP1參與孢粉素酚類單元聚合、維持花粉外壁完整性的功能，揭示了小孢子利用銅元素合成孢粉素的機(jī)制。

     銅元素是植物小孢子形態(tài)建成階段所必需的微量營養(yǎng)元素，但小孢子發(fā)育如何利用銅元素的分子機(jī)制仍有待探究。另一方面，為小孢子提供保護(hù)的花粉外壁結(jié)構(gòu)，是陸生植物的共有演化特征，具有抗氧化、抗紫外線輻射和抵御病原入侵等物理和化學(xué)屏障作用。花粉外壁的主要組分孢粉素是最難降解的生物高聚物之一，其前體在絨氈層中合成的機(jī)理已較為清晰，但負(fù)責(zé)孢粉素前體在小孢子表面聚合的功能蛋白和調(diào)控機(jī)制仍不清楚。

 

圖1. 小麥TaSCULP1基因時(shí)空表達(dá)模式

 

     該研究通過比較轉(zhuǎn)錄組的方法鑒定到種子植物中保守的、小孢子特異表達(dá)的多銅氧化酶SCULP（SKS clade universal in pollen）。選取小麥TaSCULP1進(jìn)行表達(dá)模式分析，發(fā)現(xiàn)其在單核期和二核期小孢子外壁特異表達(dá)（圖1），這是已知孢粉素前體聚合階段，也與小孢子對(duì)銅元素的關(guān)鍵需求時(shí)期相吻合。純化的TaSCULP1可以結(jié)合孢粉素酚類單元對(duì)香豆酸，通過遺傳、化學(xué)分析和三維重構(gòu)證明TaSCULP1是孢粉素對(duì)香豆酰化和小麥花粉外壁基粒棒結(jié)構(gòu)的起始與生長以及花粉成熟所必需的（圖2）。以上結(jié)果揭示了孢粉素前體聚合過程中的小孢子自主功能，為花粉外壁圖案形成和孢粉素生物工程合成奠定了基礎(chǔ)。

 

圖2. TaSCULP1的功能分析

     北京大學(xué)李磊研究員和北京市農(nóng)林科學(xué)院趙昌平研究員、唐益苗研究員為論文共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生徐磊與北京市農(nóng)林科學(xué)院唐益苗研究員為該論文的共同第一作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及北大-清華生命聯(lián)合中心的資助。

 

論文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18917