「花粉管」是植物受孕的最後一哩路,當花粉落在雌蕊上後,還要長出花粉管,才能送精細胞到蕊中與卵子相遇。一有差錯,植物便無法結成果實。本院植物暨微生物學研究所中村友輝(Nakamura, Yuki)副研究員的團隊,近期發現影響花粉管生長的關鍵脂質──磷脂酸(Phosphatidic acid, PA)的生成機制。此研究有助於掌握脂質訊息與花粉管生長的關係,也有機會發展成提高農產量的新策略。論文已於今(2020)年5月29日發表於植物學頂尖期刊The Plant Cell

中村友輝表示,花粉發育對植物的生殖繁衍至關重要,有些農作物的產量問題,更直接與花粉不孕有關。過去有研究已指出,磷脂酸PA在花粉管生長過程中扮演著傳遞訊息的重要角色,然而,PA如何生成、又如何影響花粉管生長?尚不得而知。

研究團隊首先在模式植物阿拉伯芥的花粉內鑑定出二種酵素──DGK2及DGK4,再經實驗證實,缺少此二種酵素的植株便會缺少PA,花粉管也停止生長,導致植物無法授粉、結果。證明了DGK2與DGK4便是PA的生長關鍵。此外,當團隊對這些缺陷植株將施加PA或將相關基因送入植株,使其產生DGK酵素後,花粉管便如正常的花粉一般,在12小時內達到正常的長度。

中村友輝解釋,PA在花粉管中是一種脂質訊息,主要存在於花粉管的尖端與底部之間,誘導花粉管生長。而本次研究發現,在花粉細胞內,二種DGK酵素會將沒有傳遞訊息功能的二酸甘油酯(Diacylglycerol, DAG)轉換成有傳遞訊息功能的PA,藉此達到花粉管生長的目的。

此研究成果將對解決農業產量問題有所幫助。因為DGK2、DGK4這類酵素廣泛存在於重要的農業作物中,在稻米、小麥、玉米、番茄、蘋果中等都可見到。因此,研究團隊推測,此次發現的PA 合成機制也在各種植物中存在,可能是增進作物受孕與產量研究的新契機。

中村友輝長期研究植物的脂質對於其生殖過程所扮演的角色。研究團隊曾在2015年發現另一種參與種子發育及油脂合成的關鍵酵素。他強調,要將植物與脂質聯想在一起似乎很難,但其實植物本身也富含脂質,不同種類的脂質,對於植物生長發育與生殖過程扮演舉足輕重的角色。

此研究經費由本院前瞻計畫所提供。共同第一作者為阮錦雲(Van. C Nguyen)及翁玉鑽博士(Artik Elisa Angkawijaya)。研究論文標題為 “A pair of diacylglycerol kinases essential for gametogenesis and ER phospholipid metabolism in leaves and flowers of Arabidopsis”。

論文網址:http://www.plantcell.org/content/early/2020/05/29/tpc.20.00251

研究團隊將DGK酵素接上螢光蛋白後,可看見一粒粒花粉在黑暗中有明顯的螢光表現,代表其中含有大量DGK酵素。

阿拉伯芥。

阿拉伯芥的花粉。

花粉 左:花粉管未生長 右:花粉管生長

(植物暨微生物學研究所)