三氟拉嗪抑制钙-钙调素对白杄花粉管生长的调节

花粉管是种子植物受精过程中雄性生殖单位的载体，具有典型的极性顶端生长模式，因此成为研究细胞极性生长机理的理想模式体系。本研究以裸子植物白杄（Picea meyeri Rehd.et Wils）花粉为材料，并以对花粉萌发和花粉管生长起关键作用的Ca2+作为切入点，分析钙-钙调素在花粉萌发及花粉管极性生长中的作用，同时也为进一步探讨它们在其他植物细胞中的作用机理研究提供重要参考。 通过细胞化学定位证明，白杄花粉中含有丰富的游离钙离子和钙调素，在花粉管顶端呈现明显的梯度分布;钙调素特异拮抗剂三氟拉嗪（trifluoperazine，简称TFP）可以在钙离子存在的情况下与钙调素特异性结合，从而抑制钙-钙调素复合物对下游效应蛋白的激活。微摩尔浓度的TFP明显抑制白杄花粉萌发以及花粉管的生长，并导致大部分花粉管畸形生长。TFP处理后的花粉管（约80%以上）中游离钙离子梯度消失或梯度不明显，由此说明钙调素参与花粉管顶端游离钙离子梯度的维持。抑制剂处理显著影响钙调素在花粉管顶端的梯度分布模式，梯度落差明显减小。 应用鬼笔环肽标记花粉管微丝骨架表明，正常生长的花粉管中微丝骨架沿花粉管长轴平行的方向呈网络状分布，但是在花粉管顶端仅有杂乱的微丝片断分布;低浓度TFP处理之后，微丝骨架分布的方向性丧失并开始卷曲，花粉管顶端的微丝片断消失，高浓度TFP处理之后微丝骨架完全断裂，聚集成短粗的束状。FM4-64标记花粉管后发现，经TFP处理的花粉管顶端胞吞速度明显加快，最终染料集中分布在紧贴质膜下很小的区域内，同时胞吞过程加快主要表现在染料进入花粉管细胞的速度加快，而随后染料在细胞内的扩散速度并无明显变化。以酸性磷酸酶为标志的胞吐活性也显著下降。通过MitoTracker染色发现，TFP处理之后花粉管中线粒体的形态和分布都发生了显著变化;在电子显微镜下观察显示，抑制剂处理的花粉管中液泡化现象严重，线粒体膨大变形，其内嵴的结构遭到严重破坏，同时高尔基体和内质网的形态也都发生了不同程度的异常变化，另外线粒体和液泡还出现了类似于自体吞噬的现象。 在荧光显微镜下观察发现，在标准培养基中培养的花粉管经苯胺兰染色后，胼胝质分布于整根花粉管侧壁上，而顶端区域胼胝质分布却很少或不存在。但经TFP处理之后，在花粉管细胞壁的个别区域有胼胝质大量沉积，同时在花粉管中还出现能被苯胺兰特异染色的许多颗粒状物质。此时花粉管顶端细胞壁中的纤维素含量明显减少。以单克隆抗体JIM5、JIM7标记果胶质，在激光扫描共聚焦显微镜下观察发现，标准培养基中培养的花粉管，酸性果胶质分布于整根花粉管的侧壁中，但在其顶端的含量很低或不存在，与此相反，酯化果胶质只分布在花粉管的顶端;而经TFP处理的花粉管中，酸性果胶质均匀分布于花粉管细胞壁上，酯化果胶质仅出现在花粉管基部的细胞壁中。单克隆抗体LM2和LM6标记结果显示，正常生长的花粉管细胞壁中AGPs呈周期性的环状分布，TFP处理后AGPs仅仅分布在花粉管基部的细胞壁中。SDS-PAGE电泳分析显示，抑制剂处理之后花粉管细胞壁蛋白的表达也发生明显变化。由FT-IR分析进一步证实了上述两种果胶质及纤维素在花粉管顶端细胞壁中相对含量的变化趋势。 利用双向电泳技术分离花粉管全蛋白，结果发现正常生长和TFP处理后的花粉管的大部分蛋白斑点都处于pI 4-8以及分子量在14-97 KD的范围内，主要是一些中等分子量大小、微酸性和中性的蛋白类群。由软件分析显示，除其中76个蛋白外，大部分蛋白质的表达并未发生变化。将上述76个表达量发生变化的差异蛋白进行胶内酶解，并经ESI-MS/MS分析鉴定，以及质谱数据库搜索，最终鉴定出57个蛋白，其中23个表达量上调，其余34个表达量下调。根据其生物学功能可以分为碳水化合物及能量代谢、胁迫及防御反应、细胞扩展、信号转导等功能蛋白类群。经TFP处理后，花粉管中碳水化合物及能量代谢过程整体水平下降，氧化磷酸化水平减低，但是丙酮酸脱羧酶旁路代谢水平却略有上升。由此暗示，花粉管在生长停滞的环境条件下，该途径可作为能量供应的替代机制;参与转一碳单位反应的蛋白表达量普遍上调，参与细胞延展（如细胞骨架重构、细胞壁多糖合成）的蛋白表达量下调，此项研究结果与上述的细胞生物学分析结论基本一致。 综上所述，当钙调素蛋白功能受到抑制后，顶端游离钙离子浓度梯度消失同时胞质钙离子浓度显著升高;细胞代谢水平（糖酵解和三羧酸酸循环）整体下降，而可能通过丙酮酸脱羧酶旁路来维持最低限度的能量供应;同时花粉管微丝骨架发生解聚，花粉管细胞壁组成成分合成水平下降，细胞延展相关的能力减弱，最终导致花粉管生长的停滞。钙-钙调素信号存在于白杄花粉萌发和花粉管生长这一特定的细胞生物学事件中，并参与花粉管顶端游离钙离子梯度的维持和定向生长。