Pollination methods, stigma receptivity and pollen tube growth in Eucalyptus argophloia

Eucalyptus argophloia Blakely (Western white gum) has shown potential as a commercial forestry timber species in marginal environments of north-eastern Australia. We measured early pollination success in Eucalyptus argophloia to compare pollination methods, determine the timing of stigma receptivity and compare fresh and stored pollen. Early pollination success was measured by counting pollen tubes in the style of E. argophloia 12 days after pollination. We compared the early pollination success of 1) Artificially Induced Protogyny (AIP), one-stop and three-stop methods of pollination; 2) flowers pollinated at 2 day intervals between 2 days before and 6 days after anthesis and 3) fresh pollen and pollen that had been stored for 9 months. Our results show significantly more pollen tubes from unpollinated AIP and AIP treatments than either the one-stop pollination or three-stop pollination treatments. This indicates that self-pollination occurs in the unpollinated AIP treatment. There was very little pollen tube growth in the one-stop method indicating that the three-stop method is the most suitable for this species. Stigma receptivity in E. argophloia commenced six days after anthesis and no pollen tube growth was observed prior to this. Fresh pollen resulted in pollen tube growth in the style whereas the stored pollen resulted in a total absence of pollen tube growth. We recommend that breeding programs incorporating E. argophloia as a female parent use the three-stop pollination method, and controlled pollination be carried out at least six days after anthesis using fresh pollen.

Actin cytoskeleton regulates pollen tube growth and tropism

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

Organ-specific and Agamous-regulated expression and glycosylation of a pollen tube growth-promoting protein.

Transmitting tissue-specific (TTS) protein is a pollen tube growth-promoting and attracting glycoprotein located in the stylar transmitting tissue extracellular matrix of the pistil of tobacco. The TTS protein backbones have a deduced molecular mass of about 28 kDa, whereas the glycosylated stylar TTS proteins have apparent molecular masses ranging between 50 and 100 kDa. TTS mRNAs and proteins are ectopically produced in transgenic tobacco plants that express either a cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter-TTS2 transgene or a CaMV 35S-promoter-NAG1 (NAG1 = Nicotiana tabacum Agamous gene) transgene. However, the patterns of TTS mRNA and protein accumulation and the quality of the TTS proteins produced are different in these two types of transgenic plants. In 35S-TTS transgenic plants, TTS mRNAs and proteins accumulate constitutively in vegetative and floral tissues. However, the ectopically expressed TTS proteins in these transgenic plants accumulate as underglycosylated protein species with apparent molecular masses between 30 and 50 kDa. This indicates that the capacity to produce highly glycosylated TTS proteins is restricted to the stylar transmitting tissue. In 35S-NAG transgenic plants, NAG1 mRNAs accumulate constitutively in vegetative and floral tissues, and TTS mRNAs are induced in the sepals of these plants. Moreover, highly glycosylated TTS proteins in the 50- to 100-kDa molecular mass range accumulate in the sepals of these transgenic, 35S-NAG plants. These results show that the tobacco NAGI gene, together with other yet unidentified regulatory factors, control the expression of TTS genes and the cellular capacity to glycosylate TTS proteins, which are normally expressed very late in the pistil developmental pathway and function in the final stage of floral development. The sepals in the transgenic 35S-NAG plants also support efficient pollen germination and tube growth, similar to what normally occurs in the pistil, and this ability correlates with the accumulation of the highest levels of the 50- to 100-kDa glycosylated TTS proteins.

An extracellular transglutaminase is required for apple pollen tube growth

An extracellular form of the calcium-dependent protein-cross-linking enzyme TGase (transglutaminase) was demonstrated to be involved in the apical growth of Malus domestica pollen tube. Apple pollen TGase and its substrates were co-localized within aggregates on the pollen tube surface, as determined by indirect immunofluorescence staining and the in situ cross-linking of fluorescently labelled substrates. TGase-specific inhibitors and an anti-TGase monoclonal antibody blocked pollen tube growth, whereas incorporation of a recombinant fluorescent mammalian TGase substrate (histidine-tagged green fluorescent protein: His6-Xpr-GFP) into the growing tube wall enhanced tube length and germination, consistent with a role of TGase as a modulator of cell wall building and strengthening. The secreted pollen TGase catalysed the cross-linking of both PAs (polyamines) into proteins (released by the pollen tube) and His6-Xpr-GFP into endogenous or exogenously added substrates. A similar distribution of TGase activity was observed in planta on pollen tubes germinating inside the style, consistent with a possible additional role for TGase in the interaction between the pollen tube and the style during fertilization.

Defensin-Like ZmES4 Mediates Pollen Tube Burst in Maize via Opening of the Potassium Channel KZM1

In contrast to animals and lower plant species, sperm cells of flowering plants are non-motile and are transported to the female gametes via the pollen tube, i.e. the male gametophyte. Upon arrival at the female gametophyte two sperm cells are discharged into the receptive synergid cell to execute double fertilization. The first players involved in inter-gametophyte signaling to attract pollen tubes and to arrest their growth have been recently identified. In contrast the physiological mechanisms leading to pollen tube burst and thus sperm discharge remained elusive. Here, we describe the role of polymorphic defensin-like cysteine-rich proteins ZmES1-4 (Zea mays embryo sac) from maize, leading to pollen tube growth arrest, burst, and explosive sperm release. ZmES1-4 genes are exclusively expressed in the cells of the female gametophyte. ZmES4-GFP fusion proteins accumulate in vesicles at the secretory zone of mature synergid cells and are released during the fertilization process. Using RNAi knock-down and synthetic ZmES4 proteins, we found that ZmES4 induces pollen tube burst in a species-preferential manner. Pollen tube plasma membrane depolarization, which occurs immediately after ZmES4 application, as well as channel blocker experiments point to a role of K(+)-influx in the pollen tube rupture mechanism. Finally, we discovered the intrinsic rectifying K(+) channel KZM1 as a direct target of ZmES4. Following ZmES4 application, KZM1 opens at physiological membrane potentials and closes after wash-out. In conclusion, we suggest that vesicles containing ZmES4 are released from the synergid cells upon male-female gametophyte signaling. Subsequent interaction between ZmES4 and KZM1 results in channel opening and K(+) influx. We further suggest that K(+) influx leads to water uptake and culminates in osmotic tube burst. The species-preferential activity of polymorphic ZmES4 indicates that the mechanism described represents a pre-zygotic hybridization barrier and may be a component of reproductive isolation in plants.