Låser op for mysteriet med pollenrørføring

Befrugtning i blomstrende planter sker ved levering af sædceller til ægløsningen ved den præcise vækst af pollenrør fra pollen. Pollenrørsvejledning spiller en afgørende rolle i at kontrollere væksten af ​​pollenrør, og et pollenrørtiltrækkende peptid LURE udskilles fra synergidcellerne ved siden af ​​ægcellen i ægløsningen for at føre til vellykket befrugtning. LURE er specifik for hver planteart og er derfor ansvarlig for befrugtningen mellem den samme art.

LURE1 er allerede blevet identificeret i en modelplante Arabidopsis thaliana, og der har været rapporter om tilstedeværelsen af ​​receptorer på pollenrøret, der er ansvarlige for påvisning af LURE1. Nøgle- og låsemodellen illustrerer forholdet mellem LURE-peptidet (liganden) og dets receptor. Indtil nu, forskere vidste ikke, hvilken receptor LURE binder sig til, eller hvordan det gør det.

For at identificere den nøjagtige receptor på pollenrøret for LURE, Tetsuya Higashiyama, en professor ved Nagoya University og hans samarbejdspartnere ved Tsinghua University, som har ekspertise i strukturel biologi af planteligander og receptorer, udført analyser af komplekserne ved røntgenkrystallografi. Holdet undersøgte proteinet, der binder til LURE ved at lave LURE af Arabidopsis thaliana og dets proteinreceptor ved hjælp af kulturer af insektceller. Som resultat, de var i stand til at bestemme, at LURE specifikt binder til en proteinreceptor kaldet PRK6 (pollenreceptorlignende kinase 6) på pollenrøret. Resultaterne af denne undersøgelse er rapporteret i Naturkommunikation .

Forskerholdet lykkedes med at opnå og analysere krystalstrukturen af ​​LURE bundet til PRK6-receptoren. Som et resultat af deres analyser, de fandt, at LURE er bundet ved at blive indsat mellem den leucinrige gentagelsesregion og den transmembrane region af PRK6-receptoren.

LURE er bundet til en region nær membranen af ​​PRK6. Denne region kaldes loop-regionen, og holdet identificerede, at den elektrostatiske interaktion mellem den positive ladning af LURE og den negative ladning på loop-regionen af ​​PRK6 var signifikant for bindingen. Ud over, de var også i stand til at vise, at der dannes en disulfidbro i PRK6-løkkeregionen ved binding af LURE. Denne bro mellem cysteinrester bidrager til stabiliseringen af ​​loop-regionen, der spiller en væsentlig rolle for bindingen til LURE.

Tidligere rapporter har vist, at binding mellem peptider og receptorer i planter hovedsageligt forekommer i den leucinrige gentagelsesregion. For det andet når et ligandmolekyle binder sig til en receptor på det ydre område af cellen, et kompleks dannes normalt til at kommunikere signaler inden i cellen. På den anden side, bindingen mellem LURE og PRK6 var sket på en anden position end hvad der hidtil er blevet rapporteret i planter, og der blev ikke lavet komplekser ved binding. Dette unikke bindingsskema mellem LURE og PRK6 ser ud til at afspejle den præcise kontrolmekanisme for retningen af ​​pollenrørets vækst.

Efter at have et nærmere kig på bindingen mellem LURE og loop-regionen af ​​PRK6, de var i stand til at identificere de relevante aminosyrer, der var nødvendige for bindingen. Holdet testede graden af ​​binding og pollenrørsvejledning ved at skifte rundt om aminosyrerne, og fandt, at både arginin (R83) lokaliseret i LURE og asparaginsyre (D234) i PRK6 var vigtige.

"Vores laboratorium har arbejdet intensivt på at identificere pollenrørets tiltrækkende peptid LURE og dets receptorprotein PRK6, og denne gang, vi var i stand til at bestemme krystalstrukturen af ​​det LURE-bundne kompleks for at bevise, at PRK6 er den faktiske receptor for LURE, " siger Higashiyama. "Gennem sin interaktion med PRK6-receptoren, vi fandt ud af, at LURE er i stand til at ændre retningen af ​​pollenrørets vækst mod ægløsningen, men vi er stadig usikre på, hvordan LURE er i stand til at kontrollere vækstretningen med så høj præcision, " forklarer Higashiyama.

"Vi har vist, at PRK6 har en tendens til at koncentrere sig om LURE, så det kan være, at ved binding af LURE i loop-regionen af ​​PRK6, PRK6 ændrer sin adfærd på pollenrørets spids. Ved at udføre realtidsobservationer af de molekylære aktiviteter af LURE og PRK6 på overfladen af ​​pollenrør, vi håber at forstå den nøjagtige mekanisme for pollenrørføring."

LURE-peptidet og PRK6-receptoren fungerer som en nøgle og lås, som er specifik for hver planteart. Higashiyama og hans gruppe forestiller sig, at dette arbejde vil hjælpe med at afsløre, hvorfor pollenrørføring er vellykket mellem den samme art og er vanskelig mellem forskellige arter.

"Vi håber at være i stand til at designe specifikke 'nøgle og lås'-systemer, så pollenrørføring bliver effektiv mellem forskellige plantearter, og kan føre til vellykket hybridisering mellem forskellige arter, " siger Higashiyama. "Planter såsom brødhvede, rapsfrø, og bomuld er alle vigtige arter, som er opstået som følge af krydsning. Vi tror på, at vores forskning vil have betydning for generering af specifikt designede krydsningsplantearter."