LeProT1, a Transporter for Proline, Glycine Betaine, and γ-Amino Butyric Acid in Tomato Pollen

During maturation, pollen undergoes a period of dehydration accompanied by the accumulation of compatible solutes.Solute import across the pollen plasma membrane, which occurs via proteinaceous transporters, is required to support pollen development and also for subsequent germination and pollen tube growth. Analysis of the free amino acid composition of various tissues in tomato revealed that the proline content in flowers was 60 times higher than in any other organ analyzed. Within the floral organs, proline was confined predominantly to pollen, where it represented >70 of total free amino acids. Uptake experiments demonstrated that mature as well as germinated pollen rapidly take up proline. To identify proline transporters in tomato pollen, we isolated genes homologous to Arabidopsis proline transporters. LeProT1 was specifically expressed both in mature and germinating pollen, as demonstrated by RNA in situ hybridization. Expression in a yeast mutant demonstrated that LeProT1 transports proline and γ-amino butyric acid with low affinity and glycine betaine with high affinity. Direct uptake and competition studies demonstrate that LeProT1 constitutes a general transporter for compatible solutes.

Expression-based and co-localization detection of arabinogalactan protein 6 and arabinogalactan protein 11 interactors in Arabidopsis pollen and pollen tubes

Arabinogalactan proteins (AGPs) are cell wall proteoglycans that have been shown to be important for pollen development. An Arabidopsis double null mutant for two pollen-specific AGPs (agp6 agp11) showed reduced pollen tube growth and compromised response to germination cues in vivo. A microarray experiment was performed on agp6 agp11 pollen tubes to search for genetic interactions in the context of pollen tube growth. A yeast two-hybrid experiment for AGP6 and AGP11 was also designed.

Reciprocal and advanced generation hybrids between Corymbia citriodora and C-torelliana: forestry breeding and the risk of gene flow

Corymbia F1 hybrids have high potential for plantation forestry; however, little is known of their reproductive biology and potential for genetic pollution of native Corymbia populations. This study aims to quantify the influence of reproductive isolating barriers on the success of novel reciprocal and advanced generation Corymbia hybrids. Two maternal taxa, Corymbia citriodora subsp. citriodora and Corymbia torelliana, were pollinated using five paternal taxa, C. citriodora subsp. citriodora, C. torelliana, one C. torelliana x C. citriodora subsp. citriodora hybrid and two C. torelliana x C. citriodora subsp. variegata hybrids. Pollen tube, embryo and seed development were assessed. Reciprocal hybridisation between C. citriodora subsp. citriodora and C. torelliana was successful. Advanced generation hybrids were also created when C. citriodora subsp. citriodora or C. torelliana females were backcrossed with F1 hybrid taxa. Prezygotic reproductive isolation was identified via reduced pollen tube numbers in the style and reduced numbers of ovules penetrated by pollen tubes. Reproductive isolation was weakest within the C. citriodora subsp. citriodora maternal taxon, with two hybrid backcrosses producing equivalent capsule and seed yields to the intraspecific cross. High hybridising potential was identified between all Corymbia species and F1 taxa studied. This provides opportunities for advanced generation hybrid breeding, allowing desirable traits to be amplified. It also indicates risks of gene flow between plantation and native Corymbia populations.

The influence of pre- and post-zygotic barriers on interspecific Corymbia hybridization

Corymbia species from different sections hybridize readily, with some of increasing economic importance to plantation forestry. This study explores the locations of reproductive barriers between interspecific Corymbia hybrids and investigates the reproductive success of a wide taxonomic range of C. torelliana hybrid crosses. Pollen, pistil and embryo development were investigated for four C. torelliana crosses (C. torelliana, C. citriodora subsp. citriodora, C. tessellaris and C. intermedia) using fluorescent and standard microscopy to identify the locations of interspecific reproductive isolating barriers. Corymbia torelliana was also crossed with 16 taxa, representing six of the seven Corymbia sections, both Corymbia subgenera and one species each from the related genera, Angophora and Eucalyptus. All crosses were assessed for capsule and seed yields. Interspecific C. torelliana hybridization was controlled by pre-zygotic reproductive isolating barriers inhibiting pollen adhesion to the stigma, pollen germination, pollen tube growth in the style and pollen tube penetration of the micropyle. Corymbia torelliana (subgenus Blakella, sect. Torellianae) was successfully hybridized with Corymbia species from subgenus Blakella, particularly C. citriodora subsp. citriodora, C. citriodora subsp. variegata, C. henryi (sect. Maculatae) and C. tessellaris (sect. Abbreviatae), and subgenus Corymbia, particularly C. clarksoniana and C. erythrophloia (sect. Septentrionales). Attempted intergeneric hybrids between C. torelliana and either Angophora floribunda or Eucalyptus pellita were unsuccessful. Corymbia hybrids were formed between species from different sections and subgenera, but not with species from the related genera Angophora or Eucalyptus. Reproductive isolation between the interspecific Corymbia hybrid crosses was controlled by early- and late-acting pre-zygotic isolating barriers, with reproductive success generally decreasing with increasing taxonomic distance between parent species. These findings support the monophyly of Corymbia and the close relationships of infrageneric clades. The hybridizing propensity of Corymbia species provides opportunities for breeding but suggests risks of environmental gene flow. © The Author 2012. Published by Oxford University Press on behalf of the Annals of Botany Company. All rights reserved. For Permissions, please email: journals.permissions@oup.com

Comparison of three pollination methods for Eucalyptus argophloia, a small-flowered eucalypt

Context Most studies assess pollination success at capsule maturity, and studies of pre-zygotic processes are often lacking. Aims This study investigates the suitability of controlled pollination for a potential forestry plantation species, Eucalyptus argophloia, by examining pre- and post-zygotic pollination success. Methods Pollen tube development, capsule set and seed set are compared following three-stop pollination, artificially induced protogyny (AIP), AIP unpollinated and open pollination. The fecundity of stored pollen was compared with that of fresh pollen. Results Three-stop pollination, AIP and open pollination had similar numbers of pollen tubes, but AIP unpollinated had none. Open pollination produced significantly more capsules and total number of seeds than the other treatments. There were significantly more seeds per retained capsule for the open pollination and three-stop pollination treatments than for the AIP and AIP unpollinated pollination treatments. There were no significant differences relative to the age of pollen. Conclusions Pre-zygotic success in terms of pollen tubes was similar for open-pollinated, three stop and AIP, but was not reflected in post-zygotic success when the open pollination and three-stop method produced significantly more seeds per retained capsule than the AIP treatments and open pollination yielded more seeds. Capsule set and total seed set for open pollination, and fewer capsules in controlled pollinations, may reflect physical damage to buds because of the small E. argophloia flowers. Suitable alternative breeding strategies other than controlled pollinations are discussed for this species.

美味猕猴桃和软枣猕猴桃种间杂交花粉管行为和早期胚胎发生的观察

美味猕猴桃(Actinidia deliciosa(A．Chev．)C．F．Liang and A．R．Ferguson)和软枣猕猴桃（Actinidia arguta）种间传粉后，花粉管在花柱内行为的荧光观察，以及早期胚胎发生的显微观察，结果如下： 1．花粉粒在柱头的乳头细胞表面萌发，在开放型的V形花柱道内生长。 2．花粉管生长速率比对照缓慢，到达胚珠珠孔的时间平均延迟50到60小时。 3．花粉管在花柱中下部出现形态变化：部分花粉管呈波纹状弯曲;花粉管顶端膨大，尖细或破裂;花粉管直径变化;花粉管解体。 4．花粉管胼胝质沉积的变化：胼胝质沿花粉管壁不规则沉积;有的膨大的花粉管顶端出现胼胝质;有的不出现胼胝质塞，而整个花粉管壁有胼胝质分布，荧光强烈。 5．基于显微结构和种子分析，种间杂交大约有30%的胚珠能够受精，并发育成为种子，种子的胚的大小和胚乳的量与对照有差别，有约70%或更多的表现不育或败育。胚发育为茄型，受精后台子保持休眠十几天后开始横分裂。传粉后七周形成子叶胚。胚发育较对照迟缓。胚乳细胞型。 6．种间杂交能够结实，正常种子占20% -30％，败育干瘪种子占10%左右，未受精胚珠占60%- 70％。种内传粉正常种子占95%，空瘪败育种子占0.7％，未受精胚珠占3.8％。 7．种间杂交果实大小、重量，种子大小及数目，胚的大小都比对照小。

分子调控咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）对木质素合成及植物生长发育的影响

本论文由两部分组成，一、构建来自小麦的COMT的反义表达载体，转化烟草，研究抑制内源COMT对植物木质素合成及其生长发育的影响;二、利用花粉管通道法，将正义和反义COMT基因转化小麦，获得转基因小麦，从而进一步分析。 一、 反义抑制COMT对植物木质素合成及其生长发育的影响 构建含有小麦的咖啡酸-O-甲基转移酶（COMT）cDNA的反义表达载体, 利用农杆菌法转化烟草。 PCR, PCR-Southern 检测显示目的基因片段成功转入烟草基因组。处于营养生长期的转基因植株表型与对照没有明显差异;而发育成熟的转基因植株的植株矮化，茎部木质素含量与对照差异不大，木质素的组成S/G比下降，部分木质部细胞发生变形。我们还发现转基因烟草种子发芽率提高，移栽2个月的子一代转基因植株光合速率、蒸腾速率有所增强。结果表明通过反义抑制COMT将影响木质素合成,并在不同的发育阶段，影响着植物的生长发育。 二、 利用花粉管通道法获得转基因小麦 将构建好的含有Bar基因的正义和反义COMT表达载体利用花粉管法转化两个小麦品种（H4564和C6001），共获得转基因处理的种子1117颗，重新播种后，发育成苗分别为321株，总成苗率为28.7%。通过除草剂PPT筛选，分别获得PPT抗性植株31株。PCR检测抗性植株，获得PCR检测阳性植株5株，总阳性率为0.45%。阳性植株分别为H4564反义处理株1株，C6001的正义和反义处理株各2株。对小麦的植株高度，分蘖数等生理性状的分析发现，转基因小麦的分蘖数减少，植株高度降低。这些生理性状的改变与COMT基因转化的关系将有待于进一步验证。

白皮松花粉管发育过程中RNA、蛋白质和多糖类物质的合成及其动态变化

花粉管是有花植物受精过程中雄性生殖单位的载体，它同根毛、真菌菌丝一样，具有典型的极性顶端生长模式。裸子植物花粉与被子植物相比，具有萌发时间较长，生长缓慢等特点。但是目前人们对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的机理还不清楚。本文以裸子植物白皮松（Pinus bungeana）的花粉为材料，采用细胞学和生理生化方法，包括应用普通光学显微镜、荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、显微红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）等技术，对其花粉萌发和花粉管生长过程进行了较为系统的研究，旨在进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机制。 本论文首先研究了外源Ca2+ 和3种调钙药物（A23187、EGTA、TMB8）对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，在离体培养条件下，高浓度的Ca2+（1%）能完全抑制白皮松花粉的萌发，低浓度的Ca2+ 则影响不大，而花粉萌发和花粉管生长的最适Ca2+ 浓度为0.01%。用Ca2+ 载体A23187、Ca2+ 螯合剂EGTA和钙通道阻滞剂TMB8分别处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到抑制。另外，用 Ca2+ 荧光探针 Fluo-3AM标记，对Ca2+ 的分布变化进行了观察，发现在花粉萌发的初期，Ca2+ 向萌发孔聚集。在正常生长的花粉管中Ca2+ 呈梯度分布，顶端荧光最强。与对照相比，A23187处理后花粉粒中荧光增强，而EGTA和TMB8处理的花粉粒中荧光强度均减弱。并且这3种调钙药物还破坏了花粉管顶端的Ca2+ 浓度梯度，最终导致花粉管的生长受阻。 花粉萌发和花粉管的生长依赖于RNA和蛋白质的不断合成。在放线菌素D的存在下，花粉萌发基本不受影响，但花粉管的生长速度下降，花粉管中RNA含量也减少。而经过放线菌酮处理后，花粉萌发和花粉管生长均受到抑制，花粉管中蛋白质含量降低，同时花粉管顶端显著膨大。通过SDS-PAGE的结果表明，花粉粒萌发前后蛋白质图谱有明显差异。FTIR光谱分析表明，两种抑制剂处理均导致花粉管壁的化学组成发生了变化，例如蛋白质和饱和酯含量减少，而羧酸的含量增加。此外，由放线菌酮和放线菌素D处理后，花粉管的超微结构也发生了明显变化，其中特别是花粉管顶端的分泌系统遭到严重破坏。 纤维素的正常合成对于白皮松花粉管的生长是必需的。在正常培养基中添加纤维素生物合成抑制剂2，6-二氯苯腈（DCB）后，花粉萌发几乎不受影响，但是花粉管的形态发生异常，生长速率降低。DCB处理还导致花粉管壁中纤维素含量下降，而胼胝质在花粉管顶端积累。用识别酯化果胶的JIM7和识别酸性果胶的JIM5对离体培养的白皮松花粉管进行标记后，发现果胶成分呈异常分布图式。FTIR光谱分析结果表明花粉管细胞壁中蛋白质、羧酸以及饱和酯含量增加。同时，在电镜下观察发现，花粉管细胞壁顶端呈现不均匀加厚，其中主要的细胞器，如高尔基体和线粒体等膜结构均遭到破坏。 上述结果说明，白皮松成熟花粉粒中已含有花粉萌发和花粉管早期生长所必需的Ca2+ 和RNA，但是在花粉管的后续伸长过程中仍需要外源Ca2+ 的参与以及新RNA、蛋白质的不断合成。与被子植物不同，裸子植物花粉萌发的启动也需要新蛋白的合成。尽管在花粉管中纤维素的含量很低，但是对于细胞壁的构建、花粉管的正常形态的维持起着关键作用。

白杄花粉管胞吞/胞吐动态及其与细胞壁构建的关系

在有花植物受精过程中，具有顶端极性生长特性的花粉管是雄性生殖单位的载体，同时也是研究细胞生长分子调控机理的理想体系。与被子植物相比，裸子植物花粉具有萌发时间长、花粉管生长缓慢等特点。对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的机理，目前人们尚不十分清楚。本文将以裸子植物白杄（Picea meyeri）花粉为材料，应用不同浓度的分泌系统干扰剂Brefeldin A处理，并通过细胞学和生理生化方法，其中包括普通光学显微镜、荧光显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、显微红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）等技术，对其花粉萌发和花粉管生长过程中胞吞胞吐的调控，以及与细胞壁建成的关系等进行较为系统的研究，旨在为进一步揭示裸子植物花粉管发育的调控机理提供参考。 首先比较观察了各种细胞器在白杄与被子植物花粉管中的分布差异。经FM4-64探针标记结果表明，在正常生长的白杄花粉管顶端存在分泌小泡积累的透明区，但与被子植物比较起来，此透明区在花粉管中所占比例较小，且不呈倒“V”字型。在透射电镜下观察发现，其花粉管顶端透明区内分泌小泡的分布密度远低于被子植物。另外，在白杄花粉管中，线粒体的分布一般靠近细胞壁的地方，高尔基体分布较为分散，而内质网的分布则不具方向性。 其次，研究了BFA对白杄花粉萌发和花粉管生长的影响，特别是对其花粉管生长过程中的胞吐/胞吞作用。通常在正常生长的白杄花粉管中，用FM4-64标记后发现，在其顶端形成与透明区对应的荧光亮区;超微结构显示，在花粉管顶端进行旺盛的胞吐作用，许多分泌小泡正与质膜融合，以及分布有大量显示高分泌活性的壁旁体（PB）等。而经过BFA处理后，花粉的萌发和花粉管的生长均受到严重抑制，花粉管出现了弯曲（波状生长）或顶端膨大等异常形态，同时还干扰了FM4-64在花粉管顶端的标记模式。另外，花粉管顶端分泌小泡数量减少，透明区内充满线粒体、高尔基体和空泡等一些大的细胞器，壁旁体也随之消失，其中高尔基体呈现解体或弯曲的异常形态，在其周围的分泌小泡数量大大减少，内质网出现膨胀和核糖体脱落等;同时胞吐活性标志性酶——酸性磷酸酶的活性也随之降低。通过对FM4-64的染料吸收实验表明，BFA对胞吞有明显的促进作用。由上可见，BFA对白杄花粉管生长过程中的胞吐和胞吞作用起了相反的影响， BFA正是通过扰乱花粉管生长过程中的分泌途径来抑制其花粉管的生长。 最后，检测了白杄花粉管分泌途径紊乱后，管壁物质合成的变化情况。通过FTIR光谱分析表明，BFA处理后花粉管壁化学组分发生了变化，例如蛋白质和多糖含量明显减少，而且与蛋白比较起来，多糖的含量下降更为明显，尤其是在顶端。蛋白和多糖含量的下降导致花粉管壁的组成结构不够致密。由SDS-PAGE的结果显示， BFA抑制后，花粉管壁中糖蛋白的含量下降了60%，同时很多壁蛋白条带在BFA处理后不表达或含量减少。通过对花粉管壁多糖成分的研究表明，BFA处理还导致纤维素含量下降，而胼胝质在花粉管顶端积累。用识别AGPs的LM6和识别酸性果胶的JIM5对花粉管进行标记，发现BFA处理后AGPs的环状分布消失，酸性果胶质在顶端的含量也明显减少，但在胞质内却形成一些小的分隔亮点（compartments）。 综上所述，导致裸子植物白杄花粉管生长缓慢的原因，可能与其顶端透明区较小、分泌小泡数量少等有关。另外，从白杄花粉管的细胞质状态和细胞器分布上看，虽然与被子植物相比差异较大，但在其正常生长中仍能进行旺盛地胞吐和胞吞过程。经BFA处理后引起花粉管内分泌系统的紊乱，致使管壁物质不能正常合成，从而导致花粉管的停滞生长。

白杄花粉管微丝骨架介导信号传导的蛋白质组学研究

在高等植物有性生殖过程中，花粉管作为运输精子到胚珠的载体，它的生长具有高度极性化，并且要依赖于微丝。由于花粉管本身所具的特性，它已经成为研究细胞相互识别、胞内和胞外信号的模式系统。本文为了研究微丝在白杄（Picea meyeri Rehd. et Wils.）花粉管生长中的作用，我们应用不同浓度的微丝聚合抑制剂Latrunculin B (LATB) 处理花粉管，并通过激光共聚焦显微镜观察微丝聚合状态的动态变化。结果发现，在低浓度下的LATB能使花粉管中的微丝严重解聚，且抑制其顶端生长。 我们进一步利用蛋白质组学的手段，分析了白杄花粉管微丝解聚后蛋白质的表达图谱。通过双向电泳分离出500个左右考马斯亮兰染色的蛋白质斑点，经过软件分析发现，其中大部分蛋白质的表达量未发生变化，而只有110个蛋白斑点有较大变化。将这些蛋白斑点从胶上切下酶解后用于质谱鉴定，最终鉴定出35个蛋白，其中有18个为上调蛋白，17个下调蛋白。根据其主要功能，通常可分为碳水化合物代谢、胁迫反应、信号和细胞扩展等几类。我们发现由于微丝解聚引起的能量代谢水平降低，可能与依赖于信号传导的微丝重组过程相关。此外，当LATB浓度增加到50 nM时，与细胞壁多糖合成相关的两个蛋白，如reversibly glycosylated polypeptide和type IIIa membrane protein cp-wap13几乎不表达，这说明当微丝聚合完全被抑制后，依赖于微丝的分泌系统也受到影响，从而引起相应蛋白质变化，最终导致细胞壁成分合成的减少。细胞骨架蛋白actin的下调，进一步说明微丝在花粉管生长过程中起着提供或支持的一种机制，也就是能调节信号介导的花粉管生长，并使其在特定的时期到达特定的部位，从而完成植物的受精作用。

Nifedipine调节白皮松(Pinus bungeana)花粉管蛋白质表达及其对细胞壁构建的影响

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位的载体，由于其生长依赖于胞内Ca2+梯度，并具有典型的顶端极性生长的特点，因而成为近年来研究植物细胞相互识别、胞内和胞外信号传导理想的模式系统。裸子植物花粉与被子植物相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。Ca2+在裸子植物花粉萌发和花粉管生长中的作用机制目前尚不明确。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)的花粉为材料，运用不同浓度钙通道抑制剂Nifedipine（Nif）处理，对其花粉萌发和花粉管生长进行了细胞学研究和蛋白质组学分析，以探讨Ca2+对白皮松花粉生长的调控机制，为进一步揭示裸子植物花粉萌发和花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了钙通道抑制剂Nif和Ca2+螯合剂EGTA对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果表明，用Nif处理花粉后，花粉萌发和花粉管生长均受到明显抑制。经Ca2+荧光探针Fluo-3AM标记，对Nif处理后Ca2+在花粉管中的分布模式进行了观察，发现Ca2+在正常生长的花粉管中呈梯度分布，并在其顶端的荧光最强。与对照相比，处理后的花粉管荧光强度明显减弱，且顶端Ca2+梯度消失。通过EGTA漂洗后的花粉粒，在正常培养基上萌发率较高，但其生长速率受到抑制。由此说明了细胞壁钙库对花粉管生长的抑制效应显著高于对花粉萌发的影响，是花粉管生长的限速因子。同时外加钙调素还可逆转EGTA对其花粉萌发和花粉管生长的抑制。上述结果表明，白皮松花粉萌发及花粉管生长需要外源Ca2+的内流，以及胞内形成的Ca2+浓度梯度。 用FM4-64探针标记结果发现，正常花粉管中的胞吞作用主要发生在顶端和亚顶端区域，胞吞的小泡也集中分布在这两个区域。经Nif处理后，既不影响花粉管的胞吞过程，同时胞吞发生的位置也与对照相似，只是胞吞的小泡分散于整个花粉管中。电子显微镜观察表明，各种细胞器在白皮松正常生长的花粉管中分布与被子植物存在较大差异，例如前者无明显地分区现象，不具胼胝质塞。白皮松花粉管顶端和亚顶端的壁旁体与质膜融合现象频繁发生。花粉管经Nif处理后，线粒体出现不同程度的解体和液泡化，内质网液泡化和核糖体脱落，液泡大量聚集在花粉管顶端，壁旁体与膜融合现象减少，以及花粉管壁明显变薄等。此外，通过微丝特异性探针鬼笔环肽标记结果表明，正常生长花粉管的微丝呈长轴向排列， Nif处理后微丝断裂，其断裂程度与处理浓度有关。由此可见，外源Ca2+对花粉管的胞吞无明显抑制或促进作用，但对胞吞小泡重回收可能有影响。当胞内Ca2+梯度消失后，则明显抑制了微丝骨架的聚合，进而使胞吐作用减缓，高尔基体分泌小泡聚集，多种细胞器液泡化，引起花粉管顶端膨大，细胞壁变薄，继而抑制花粉管的正常生长。 运用免疫荧光标记技术显示，正常生长的花粉管壁含有纤维素、胼胝质、果胶质和阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs），其中纤维素和胼胝质在细胞壁上呈均匀分布，而酸性果胶质只存在花粉管两侧壁上，酯化果胶分布于花粉管顶端。经过Nif处理后，胼胝质和酸性果胶质均在花粉管顶端累积，而AGPs和纤维素的分布却无明显变化。另外，傅里叶红外光谱分析结果也同样支持上述结论。通过花粉管壁蛋白的SDS-PAGE分析表明，Nif对细胞壁蛋白的合成也有较大的影响。 在花粉管的钙通道受到抑制后，应用蛋白质组学技术分析其蛋白质的表达图谱，通过双向电泳已分离出约1000个蛋白质斑点，经软件分析发现，除其中50个蛋白斑点外，大部分蛋白质的表达量均未发生变化。上述50个发生变化的蛋白斑点酶切后，再经过ESI－MS/MS鉴定和质谱数据库的搜索，共鉴定出28个蛋白，其中12个为上调蛋白，16个下调蛋白，根据其主要功能分为与代谢、细胞扩展、翻译后修饰以及信号相关的蛋白。经过Nif处理后，花粉管中碳水化合物代谢能力下降，ATP的产生受到抑制，参与细胞壁多糖合成及小泡运输的蛋白，如valosin containing protein（VCP）、reversibly glycolsylated polypeptide(RGP)、UDP-glucose dehydrogenase (UDPGDH)和α-tubulin表达下调。另外，通过上述方法还鉴定出与丝氨酸/苏氨酸激酶保守结构域同源的受体蛋白激酶等。 综上所述，白皮松花粉管钙通道受到抑制后，通过影响花粉管蛋白的表达，抑制微丝微管骨架的组装，致使胞吐速度变慢，花粉管壁酸性果胶质、胼胝质等多糖分布的变化及总多糖含量的减少，最终抑制了花粉管的正常生长。

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。

G蛋白在松类植物花粉管发育中的亚细胞定位及调控机制

G蛋白参与了哺乳动物内多种细胞信号途径，但其在植物花粉萌发和花粉管发育过程中的细胞学定位、生化特性及功能研究比较滞后，有关这方面的研究报道较少。在显花植物授粉受精过程中，具顶端极性生长特性的花粉管是雄性生殖单位的载体，也是研究细胞生长分子调控机理的理想体系。与被子植物相比，裸子植物具有生长周期长，花粉管生长缓慢、易分叉等特点，具有不同于被子植物花粉发育的独特发育模式。对于裸子植物花粉萌发和花粉管生长的调控机理，目前尚不十分清楚。本文以松类植物中比较有代表性的裸子植物青杆（Piceawillsonii）和白皮松(Pinus bungeana)花粉为试材，应用免疫分析和间接免疫荧光显微镜技术，结合药理学实验和FTIR手段，研究了异三聚体G蛋白和小G蛋白在花粉管细胞中的定位、生化特性及其在花粉管发育中的调控作用。结果如下： 应用Western Blotting技术和来自于抗哺乳动物中不同序列G蛋白O【亚基抗体，我们在白皮松花粉管中检测到一条分子量为40 kDa左右的蛋白。去污剂处理显示，该蛋白与质膜偶联。间接免疫荧光显微镜实验发现，在花粉管发育的整个时期，代表Ga蛋白的荧光均一的分布在整个质膜区域，尤其在尖端皮层区域荧光最亮，显示此处该蛋白浓度最高。无论是在正常发育的花粉管抑或是发生弯曲或扭曲生长的花粉管，均呈现同样的分布模式。随着花粉管发育，Ga蛋白表达量发生变化。在花粉管发育中期，Ga蛋白表达量比较高;随着花粉管离体培养时间的延长，Ga蛋白表达量下降。另外，在花粉刚刚萌发时，Ga蛋白表达量也比较低。 对白皮松花粉萌发进行的药理学实验显示，G蛋白调节剂 CTX和PTX对白皮松花粉管的影响呈现双阶段效应。当添加的药剂浓度小于400 ng mL-I时，无论CTX还是PTX均抑制了花粉萌发和花粉管生长，且花粉管容易破裂;而当二者浓度分别升至500 ng mL-I时，同对照相比，花粉管生长明显受到促进。这一结果不支持Ma等人在百合花粉中的研究结果。进一步应用FTIR技术分析发现，当用浓度为400 ng mL-I CTX或PTX处理花粉管时，花粉管细胞壁酚类物质增加，而纤维素、半纤维素、木聚糖等物质下降，这可能是导致此浓度处理下花粉管易破裂的原因。这些结果显示了G蛋白a亚基参与了白皮松花粉管生长，CTX和PTX可能通过下游对其敏感的功能蛋白而非Ga本身，影响着花粉管生长并调控着花粉管壁的建成。 利用来源于烟草的抗NtRacl抗体和拟南芥的抗ROPs抗体，应用WeternBlotting技术，我们在青杆花粉管中检测到分子量为23kDa的多肽。间接免疫荧光显微镜实验显示，在花粉萌发18和24小时后，Rac蛋白主要定位于花粉管尖端质膜区域，时而会延伸到顶端两侧区域，但从尖端到基部存在浓度梯度，这种分布模式多在花粉管发育的后期观察到。Rac蛋白在青杆花粉管不同发育时期的分布模式变化可能和花粉管的生长状态有关，在花粉管发育早期和中期，正是花粉管旺盛生长期，Rac蛋白的尖端定位保证了花粉管的极性生长。对Rac蛋白在花粉管的分布进行的连续切片扫描发现，Rac蛋白不但分布在质膜上，并与质膜偶联，而且在胞质中亦有分布。通过对一系列正常发育（即极性生长的花粉管）和畸形发育的花粉管进行观察发现，Rac蛋白主要分布在旺盛生长的花粉管尖端质膜或离顶端20 Vm处，在分叉的生长缓慢的分枝端分布较少。而在那些发生分叉生长的花粉管中，处于次要位置的基本停止生长的分枝端几乎没有Rac蛋白存在。在顶端发生膨大的花粉管中，Rac蛋白均匀分布在花粉管整个质膜上，丧失浓度梯度，失去极性生长。这些结果显示了Rac蛋白参与了青杆花粉管生长。 应用抗NtRacl抗体进行的间接免疫荧光显微镜定位实验，我们在正在生长的花粉管的管核中观察到明亮的荧光，显示了有Rac蛋白的存在。当精细胞在花粉粒中未移动到花粉管中时，几乎没有观察到荧光信号。随着花粉管发育，两个精细胞的位置发生变化，当其中一个较大的精细胞移动到花粉管中时，观察到明亮的荧光信号，这些结果显示了Rac蛋白可能参与了管核或精细胞在花粉管内的移动。

一氧化氮(NO)调节白皮松花粉管生长和细胞壁构建的研究

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位载体，具有典型的顶端极性生长特点，因此成为近年来研究植物细胞间相互识别、胞内外信号传递的模式系统。裸子植物花粉管与被子植物花粉管相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。一氧化氮（NO）作为一个重要的胞内信号分子，参与调节植物生长发育和多种生理过程，但是，有关NO对花粉管生长的作用机制目前尚不清楚。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)花粉为材料，应用不同浓度的NO释放剂SNAP和SNP, NO清除剂cPTIO和哺乳动物一氧化氮合酶抑制剂L-NNA处理，对白皮松花粉萌发和花粉管伸长进行了细胞学研究，从而为进一步揭示NO调控裸子植物花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了NO释放剂、清除剂及NOS抑制剂对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果显示，SNAP和SNP能够促进白皮松花粉萌发和花粉管伸长，并具有浓度效用，但对其花粉管的形态特征无明显影响；cPTIO和L-NNA能够抑制白皮松花粉萌发和花粉管生长，并且具有浓度效应，同时还可使花粉管顶端膨大呈球形，并丧失花粉管的极性生长。运用NO特异探针DAF-2DA标记显示，SNAP和SNP处理可促进花粉管胞内NO产生；经cPTIO和L-NNA处理后，花粉管内荧光强度比对照花粉管明显减弱。上述结果表明，NO参与裸子植物花粉管极性生长，并且适量NO可以促进花粉管的生长。 用显微注射技术将Ca2+特异探针注射入白皮松花粉管，以检测白皮松花粉管胞内Ca2+浓度梯度。结果显示，SNAP和SNP处理后，NO荧光增加的同时，花粉管顶端Ca2+浓度梯度增加。与此相反，cPTIO和L-NNA处理后，NO荧光降低的同时，花粉管顶端Ca2+浓度梯度也相应降低。应用非损伤微测技术测定花粉管胞外Ca2+内流，结果显示，SNAP和SNP促进胞外Ca2+内流，而cPTIO和L-NNA则抑制胞外Ca2+内流。据此，我们推测，在白皮松花粉管中，NO可能通过调节胞外Ca2+内流来调节胞内Ca2+浓度梯度，然而，我们不能排除在NO信号传递过程中，胞内Ca2+库可能影响胞内Ca2+浓度梯度。 通过微丝特异探针标记的白皮松花粉管显示，SNAP和SNP可使花粉管顶端细微丝束解聚，而cPTIO和L-NNA处理后，花粉管中微丝聚合，尤其在花粉管顶端形成粗的微丝束，并一直延伸到花粉管的最顶端。结合上述Ca2+结果，我们认为，经NO处理后，白皮松花粉管微丝骨架的动态变化，可能是通过Ca2+浓度来进行调控的。通过FM4-64探针标记显示，正常生长白皮松花粉管胞吞作用主要集中在顶端和亚顶端，并且形成倒“V”形的分布模式，SNAP与SNP处理后荧光分布模式与对照花粉管类似，但达到饱和所用时间相对较短；而L-NNA处理后顶端膨大丧失极性的花粉管，荧光分布在膨大花粉管靠近质膜的区域，未见倒“V”形分布模式；经L-NNA处理后，顶端没有膨大的花粉管，荧光几乎均匀分布于整个花粉管，并且L-NNA处理后达到饱和的时间较对照长。上述结果表明，适量NO能够促进白皮松花粉管胞吞。 免疫抗体标记技术分析发现，对照花粉管的酯化果胶质和AGPs都集中在顶端，酸性果胶质分布在侧壁，胼胝质均匀分布在整个花粉管壁上。L-NNA处理后的花粉管，在其顶端出现酸性果胶和酯化果胶，以及有胼胝质积累，而AGPs则分布在花粉管的基部。运用傅里叶红外光谱技术（Fourier Transform Infared Spectroscopy, FTIR）技术分析白皮松花粉管顶端细胞壁成分，结果显示，SNAP处理后花粉管顶端酯化果胶增加而酸性果胶降低；与之相反，经L-NNA处理后的花粉管，其顶端酯化果胶降低而酸性果胶增加。 综上所述，在白皮松花粉管中，NO促进胞外Ca2+内流，从而维持胞内Ca2+浓度梯度，进而影响花粉管顶端微丝骨架的组装，促进囊泡运输，使花粉管顶端酯化果胶累积，最终促进花粉管的正常生长。

脂筏极化参与活性氧介导的白杄花粉管顶端生长

质膜上存在一种富含甾醇物质的液相有序膜脂微区，被称作脂筏 (lipid rafts或lipid microdomains)。这种小的膜微区可以通过在质膜上的侧向移动，聚集形成较大的片状结构，而与微区相关联的蛋白可以通过脂筏的这种聚合作用而凝聚分布于特定的亚细胞结构上。脂筏区域在真菌和动物质膜上具极性分布，并参与细胞的极性形态建成和运动。最近，通过生物化学研究证实，脂筏也存在于植物细胞，然而迄今为止，脂筏与植物细胞极性生长相关联的直接功能证据尚未见报道。 NADPH氧化酶 (NOX，在植物中又称为 Rboh) 产生的活性氧 (Reactive oxygen species, ROS) 可能是调控植物细胞（包括花粉管、根毛和墨角藻合子等）极性生长的通用信号机制。花粉管作为研究细胞极性控制的一种理想模式系统，已被许多信号转导调控研究所采用。在本研究中，我们使用一种能螯合甾醇类物质的多烯类抗生素filipin破坏脂筏结构，以探讨脂筏极化对ROS介导的白杄花粉管极性生长的作用。 我们首次在白杄 (Picea meyeri) 花粉管上应用一种全新的苯乙烯基染料di-4-ANEPPDHQ，成功地在活体细胞上观察到脂筏在花粉管生长顶端的极性分布模式。通过脂筏和甾醇在质膜上的相似定位清楚表明：在花粉管极性生长过程中，存在富含甾醇类物质的质膜微区在花粉管生长顶端的极化现象。 氮蓝四唑（NBT）的还原和二氯二氢荧光素（H2DCF）的氧化均显示，在活跃生长的花粉管顶端区域存在一个以顶端为基底的陡峭ROS梯度，从而进一步验证了ROS在细胞极性生长过程中的信号作用。此外，我们还发现在生长花粉管的亚顶端位置有另一类性质的活性氧组分存在，该ROS组分与线粒体的能量代谢相关。研究结果首次揭示，在快速生长的花粉管中同时存在两类性质不同的ROS组分。 ROS是一种寿命很短而且容易扩散的分子，NADPH氧化酶产生的ROS信号在细胞伸长位点的准确定位是调控极性生长的必要条件。免疫共定位实验显示，NOX成簇极化分布于花粉管的生长顶端。使用filipin进行甾醇的螯合会破坏膜的异质性，干扰NOX簇在生长顶端的定位，减少了顶端的ROS形成，消弱了胞质Ca2+ 浓度梯度，进而抑制了花粉管的顶端生长。 在纯化质膜的基础上，我们使用Triton去垢剂处理结合Optiprep密度梯度离心，分离纯化了抗去垢剂抽提的质膜微区 (Detergent-resistant microdomains, DRMs)。通过免疫印迹分析证实，NADPH氧化酶部分地存在于DRMs中。非变性胶活性实验证明，该酶需要脂筏定位来保持酶活性。因此我们认为，在正常的细胞极性生长中，脂筏招募并运载NADPH氧化酶到花粉管的生长顶端，并为NOX及其活性亚基的有效互作提供了适宜的微环境，由此保证了NOX蛋白产生ROS的较高酶活性，进而维持花粉管的极性顶端生长。 总之，甾醇螯合对白杄花粉管生长影响的研究，为脂筏极化在花粉管极性生长中的作用提供了证据。基于以上生物化学和细胞生物学的结果，我们针对花粉管中富含甾醇的脂筏微区和NOX功能之间的联系，提出了一种假说模式：(1) 植物细胞质膜上的脂筏为信号分子ROS在特定位点的聚集提供了物理载体；(2) 脂筏的完整性和甾醇依赖性对NOX的定位和活性是必要的，并为花粉管细胞极性产生和维持所必需。上述研究结果表明，脂筏在花粉管顶端的极化，以及作为关键生长因子的NOX在质膜脂筏中的定位，对花粉管的高度极性生长具有重要作用。