Forscher identifizieren Peptide für das Pollenschlauchwachstum in Reis

Jul 11, 2023

10. August 2023

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von der Pusan ​​National University

Die Doppelbefruchtung ist ein komplexer Mechanismus bei Blütenpflanzen, bei dem zwei Samenzellen mit dem Embryosack verschmelzen. Um dies zu erreichen, müssen die aus den Staubbeuteln freigesetzten Pollen mit der Narbe der Pflanze interagieren, hydratisieren und in Pollenschläuchen keimen. Daher sind die Keimung und Verlängerung der Pollenschläuche entscheidend für die Doppeldüngung, die wiederum den Kornertrag von Kulturpflanzen beeinflusst.

Für den Befruchtungsprozess sind Peptidhormone namens Rapid Alkalinization Factors (RALFs) erforderlich, die an der Signalübertragung beteiligt sind. Studien haben gezeigt, dass RALFs eine wichtige Rolle beim Wachstum der Pollenschläuche spielen. Allerdings ist ihre Rolle in einkeimblättrigen Pflanzen wie Reis noch unerforscht.

Jetzt hat ein Forscherteam aus Korea unter der Leitung von Assistenzprofessor Yu-Jin Kim vom Department of Life Science and Environmental Biochemistry der Pusan ​​National University, darunter auch der Doktorand Eui-Jung Kim von der Kyung Hee University, identifiziert und charakterisiert zwei RALF-Peptide in Reis (Oryza sativa). Ihre Forschung wurde online im Journal of Integrative Plant Biology veröffentlicht.

Das Team analysierte Proteinsequenzen aus der Datenbank des Rice Genome Annotation Project und identifizierte 41 RALF-Gene. Unter ihnen wurden OsRALF17 und OsRALF19 in großen Mengen insbesondere in Pollen und Pollenschläuchen exprimiert. Die Forscher charakterisierten ihre entsprechenden Peptide mithilfe des Systems mehrerer geclusterter, regelmäßig beabstandeter palindromischer Wiederholungen (CRISPR)/CRISPR-assoziiertes Protein 9 (Cas9).

Sie erzeugten Knockout-Mutanten, in denen eines oder beide pollenspezifischen RALF-Gene nicht exprimiert wurden. Das Fehlen der Expression von OsRALF17 und OsRALF19 führte bei Reis zu einer nahezu vollständigen männlichen Sterilität mit Defekten bei der Hydratation, Keimung und dem Röhrenwachstum der Pollen, was auf deren entscheidende Bedeutung für die männliche Fortpflanzung und Samenproduktion hinweist. Interessanterweise kehrten die synthetischen OsRALF17- und OsRALF19-Peptide, die exogen auf die Knockout-Mutanten angewendet wurden, einige ihrer Fruchtbarkeitsdefekte um.

Dr. Kim erklärt die realen Anwendungen von RALFs wie folgt: „RALF-Peptide können die Befruchtung in Pflanzen steuern, indem sie als natürliche chemische Hormone und Biocontroller fungieren.“

Um das Potenzial exogener OsRALFs als Biocontroller zu testen, fügte das Team die beiden Peptide in geringen Konzentrationen normalen Reispflanzen hinzu, was die Verlängerung der Pollenschläuche verstärkte. Darüber hinaus schien die Wirkung dosisabhängig zu sein, da die OsRALFs bei höheren Konzentrationen die Keimung und das Wachstum der Pollenschläuche hemmten. Daher könnten OsRALFs das Gleichgewicht des Röhrenwachstums steuern.

Abschließend führten die Forscher transkriptomische und proteomische Experimente durch, um den Wirkungsmechanismus von OsRALF17 und OsRALF19 zu verstehen. Sie fanden heraus, dass beide Peptide an einen Proteinrezeptor namens Oryza sativa Male-Gene Transfer Defekt 2 (OsMTD2) binden und Signale über reaktive Sauerstoffspezies übertragen, was die Keimung der Pollenschläuche erleichtert und die Integrität im Reis aufrechterhält.

Diese Studie liefert neue Einblicke in die Rolle von RALFs und OsMTD2 bei der Düngung von Reispflanzen, die möglicherweise der Landwirtschaft zugute kommen. „Reis ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen, und der globale Klimawandel erfordert neue Genressourcen und Sorten für eine bessere Pflanzenproduktion. Da die Entwicklung neuer Sorten männlich sterile Linien erfordert, könnte die Kontrolle der männlichen Fruchtbarkeit über RALF-Peptide oder RALF-Mutantenlinien hilfreich sein.“ Nutzpflanzenzüchtung. Darüber hinaus könnten nützliche Genressourcen aus Reis auf andere Nutzpflanzen übertragen werden“, schließt Dr. Kim.

Mehr Informationen: Eui-Jung Kim et al., Reispollenspezifisches OsRALF17 und OsRALF19 sind essentiell für das Wachstum der Pollenschläuche, Journal of Integrative Plant Biology (2023). DOI: 10.1111/jipb.13508

Zur Verfügung gestellt von der Pusan ​​National University