苔类植物研究揭示苔藓植物的精子释放机制

中国科学院遗传与发育生物学研究所李红菊研究员带领的科研人员以地钱(Marchantiapolymorpha)为模型，探究了苔藓植物精子释放的分子机制。

有性生殖对于植物的环境适应和进化至关重要。与被子植物不同，被子植物依靠花粉管生长来产生不动的精子细胞输送到胚囊进行受精的被子植物不同，苔藓植物中的动精子被释放到水中并游到颈卵器中的卵细胞中。虽然苔藓植物的受精过程引起了许多研究人员的兴趣，但调节精子释放的因素仍然未知。

在本研究中，研究人员利用RNA测序和分析确定了四种在地钱生殖组织中特异表达的抗霉菌位点O(MpMLO)蛋白。表达模式分析显示，这些MpMLO仅在含有精子细胞的雄器中表达。

研究人员利用CRISPR/Cas9系统生成了Mpmlo1突变体，该突变体无法释放精子。亚细胞定位显示，MpMLO1-Citrine首先定位到雄器外壳层末端的尖端细胞的质膜上，从而导致这些细胞死亡。

相反，研究人员发现，Mpmlo1突变体中的尖端细胞在雄器成熟后不会发生细胞死亡，并且即使在雄器因衰老而退化后仍会继续增大。

通过引入Ca2+传感器R-GECO1引入野生型和Mpmlo1突变体植物，研究人员能够研究雄器外壳细胞中Ca2+的动态变化。

他们记录了尖端细胞中Ca2+的含量，这些细胞会爆裂并释放出精子，而细胞质Ca，而他们发现Mpmlo1突变体的尖端细胞中细胞质Ca2+的含量降低，导致无法释放精子。

总之，研究人员发现程序性细胞死亡(PCD)是地钱释放精子的先决条件。在尖端细胞中表达的MpMLO1可增加细胞质Ca2+水平并诱导这些细胞中的PCD。随后水进入地钱孔将精子粘液运送到花托表面以进一步受精。

该研究揭示了祖先陆生植物精子排出的分子基础，并强调了MLO-Ca2+信号模块的进化保守性，该模块可以追溯到苔类植物和开花植物的最后共同祖先。