2023年3月30日，北京大學現(xiàn)代農學院、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室李磊課題組在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制仍有待探究。另一方面，為小孢子提供保護的花粉外壁結構，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理已較為清晰，但負責孢粉素前體在小孢子表面聚合的功能蛋白和調控機制仍不清楚。

圖1. 小麥TaSCULP1基因時空表達模式

     該研究通過比較轉錄組的方法鑒定到種子植物中保守的、小孢子特異表達的多銅氧化酶SCULP（SKS clade universal in pollen）。選取小麥TaSCULP1進行表達模式分析，發(fā)現(xiàn)其在單核期和二核期小孢子外壁特異表達（圖1），這是已知孢粉素前體聚合階段，也與小孢子對銅元素的關鍵需求時期相吻合。純化的TaSCULP1可以結合孢粉素酚類單元對香豆酸，通過遺傳、化學分析和三維重構證明TaSCULP1是孢粉素對香豆酰化和小麥花粉外壁基粒棒結構的起始與生長以及花粉成熟所必需的（圖2）。以上結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。

圖2. TaSCULP1的功能分析

     北京大學李磊研究員和北京市農林科學院趙昌平研究員、唐益苗研究員為論文共同通訊作者。北京大學前沿交叉學科研究院博士研究生徐磊與北京市農林科學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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室以及北大-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