花粉壁对于保护雄性配子体和受精过程起着非常重要的作用。花粉壁的主要成分脂质一般由孢子体绒毡层合成和转运。尽管目前已有不少研究对与脂质生物合成相关的几个因素进行了表征，但水稻花粉发育过程中脂质生物合成的分子机制仍然不清楚。

2022年6月，四川农业大学李双成/李平教授团队在Plant Physiology （IF 8.005） 上发表了题为“SWOLLEN TAPETUM AND STERILITY 1 Is Required for Tapetum Degeneration and Pollen Wall Formation in Rice”的文章。研究发现 SWOLLEN TAPETUM AND STERILITY 1 (STS1) 基因的突变会导致水稻绒毡层降解延迟和花粉壁形成中止，并结合植物脂质组学和转录组学等技术证实了STS1是生殖发育中脂质生物合成的重要因子，参与花药脂质稳态。该研究为植物雄性生殖发育及花药脂质代谢的调控机制提供了新的见解，并为杂交水稻育种中雄性育性的人工控制提供了新的靶点。中科新生命参与了该研究中植物脂质组学的相关工作。

研究材料
水稻花药

 技术路线

步骤1：表型研究，sts1突变体为雄性不育；
步骤2：细胞学分析，sts1突变体水稻绒毡层降解延迟和花粉壁形成中止；
步骤3：脂质组学分析，sts1突变体中与花粉育性相关的脂质组分明显下调；
步骤4：转录组学分析，与花药脂质生物合成和绒毡层发育相关的部分基因的表达在sts1-1中受到干扰；
步骤5：STS1与OsPKS2和OsACOS12相互作用，调节花药脂质生物合成。

 研究结果
 

1. 表型研究

作者从籼稻品种9311的突变体库中分离出两个具有等位基因突变的雄性不育突变体（sts1-1和sts1-2）。与野生型（WT）相比，这些突变体显示正常营养生长，但没有产生可利用的种子。突变体的花药呈黄白色且比较小，其在抽穗期没有产生花粉粒，然而突变体中的胚囊发育与WT相似。这些结果表明sts1突变体为雄性不育，且通过回交实验证实不育表型是由单个隐性突变引起的（图1）。

图1 WT和突变体的表型比较


 

2. 细胞学分析

通过STS1的克隆和功能验证实验证实了STS1在维持雄性育性中的关键作用。为了进一步了解STS1在雄性生殖中的作用，作者分析比较了WT和sts1-1之间花药发育的细胞学差异。光学显微镜研究发现在阶段8a之前，WT和sts1-1之间未发现明显的差异。WT在第8b阶段时绒毡层开始凝结，随后进一步降解，并最终在第12阶段消失。而突变体则开始表现出轻微肿胀，并随着时间的延长而持续肿胀。在第12阶段时，不完全降解的绒毡层则保留在突变体花药壁中。尽管突变体的减数分裂正常，但小孢子在后期逐渐破碎。在第12阶段时，WT小孢子最终发育成充满内含物的成熟花粉粒。相反，突变体小孢子开始塌陷和退化，最终留下空花药室。作者后续使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察了绒毡层和小孢子的超微结构和发育情况，与光学显微镜的结果类似，结果表明STS1对于绒毡层发育和花粉壁的形成是必不可少的（图2）。

图2 细胞学分析
 

 

3.  脂质组学分析

研究发现STS1编码一个含有DUF726结构域的未知蛋白，其定位于内质网，并证实了STS1具有脂肪酶活性，参与水稻花药中的脂质生物合成。为了进一步了解STS1对脂质生物合成的影响，作者采用脂质组学方法分析了WT和突变体花药中的脂质成分。OPLS-DA分析表明， WT和突变体花药在脂质组成上存在显著差异。接着定量分析了与雄性生殖发育相关的不同脂质分子，发现野生型和突变体中鞘磷脂的丰度相当，但突变体中脂肪酰、甘油脂、糖脂和甘油磷脂的几个脂质类别的总含量显著低于WT。如鉴定到的六种蜡酯种类，其中四种在突变体中下调。此外，单酰甘油酯（MG）、三酰甘油酯（TG）、磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰（PE）等类别丰度在突变体中也显著下调，这些结果表明STS1参与了花药中脂质生物合成的调节（图3）。

 

图3 STS1具有脂肪酶活性，并参与水稻花药中的脂质生物合成

 

4. 转录组学分析

作者使用转录组学技术进一步了解STS1在花粉发育中的作用。在突变体花药中筛选出210个差异表达的基因(DEGs)。其中，60个基因上调，150个基因下调。GO分析发现DEGs显著富集在孢粉素生物合成、花粉外壁形成、花粉壁组装等过程。RT-qPCR分析进一步证实了一些基因参与这些途径，如在sts1-1花药7到10的大多数阶段中，CYP703A3、CYP704B2、OsACO12、OsPKS1、OsPKS2等显著下调。此外，与绒毡层发育相关的基因及花药特异性基因如EAT1、OsAP37、OsSub42等在sts1-1花药中均下调。这些结果表明，与花药脂质生物合成和绒毡层发育相关的许多基因的表达在sts1-1花药中受到干扰，证实了正常花药发育需要STS1的假设（图4）。

 

图4与花药脂质生物合成和绒毡层发育相关的部分基因的表达在sts1-1中受到干扰 

 

5. STS1与OsPKS2和OsACOS12相互作用

作者使用酵母双杂交和双分子荧光互补等技术研究了与STS1相互作用以介导脂质生物合成的可能成分。结果发现STS1可与其自身相互作用，此外，通过体内和体外实验证实了STS1与介导水稻花药中脂质的生物合成参与花粉发育的两种蛋白OsACOS12和OsPKS2有直接相互作用，且OsACOS12和OsPKS2可能不影响STS1的酶活性（图5）。

 

图5 STS1与OsPKS2和OsACOS12相互作用

 

 小结

总之，细胞学、遗传学和生物化学数据共同表明，STS1编码一种含有DUF726的蛋白质，具有脂肪酶活性，并且可能通过与OsACOS12和OsPKS2相互作用，调节花药脂质生物合成，对绒毡层发育和花粉壁形成至关重要。