研究背景
在被子植物中，雌配子体（胚囊）的发育是种子形成的前提，直接影响作物的结实率和产量。水稻（Oryza sativa L.）的胚囊发育涉及两个关键阶段：大孢子发生和大孢子发生后的雌配子体形成。正常情况下，每个心皮的胚珠仅分化出一个孢原细胞，随后发育为大孢子母细胞，经减数分裂产生四个大孢子，其中仅有一个功能大孢子（FM）存活并最终发育为成熟胚囊。然而，控制孢原细胞数目及功能大孢子特化的分子机制仍不完全清楚。深入理解这一过程不仅有助于阐明植物生殖发育的生物学原理，还为通过创制雌性不育系来实现杂交稻机械化制种提供重要理论支持。
论文概要
华南农业大学的 刘向东 和 陆紫君 团队在 Plant Physiology 发表了题为“FEMALE GAMETOPHYTE GUARD interacts with OsERECTA2 to regulate embryo sac development by affecting the number of megaspore in rice”的论文。该研究鉴定到一个驱动蛋白家族成员 OsFGG(FEMALE GAMETOPHYTE GUARD)，发现其通过与类受体激酶 OsER2 (OsERECTA2) 物理互作，共同维持水稻胚珠中单孢原细胞和单功能大孢子的正常发育。OsFGG 或 OsER2突变会导致孢原细胞增多、多个大孢子同时特化为功能大孢子，最终产生双雌配子体或胚囊退化，严重降低水稻结实率。该研究揭示了驱动蛋白与类受体激酶协同调控雌性生殖发育的新机制。
主要研究结果介绍
OsFGG 突变显著降低水稻结实率
研究者通过 CRISPR/Cas9 技术创制了三个 OsFGG 敲除系（fgg-1 至 fgg-3）。突变体植株表型显示，虽然营养生长基本正常，但其结实率（约 11%-13%）显著低于对照（80.27%）（图 1D-I）。通过互补实验，将 OsFGG-GFP 导入突变体，成功挽救了矮化和低结实表型（图 1L），证实 OsFGG 是维持水稻正常生殖能力所必需的基因。
OsFGG 是胚囊发育所必需的
细胞学观察发现，fgg 突变体的花粉活力和授粉能力正常（图 1P ），但开花后 1-3 天的受精率极低，仅约 19% 的胚珠能正常受精发育。WE-CLSM 观察显示，大部分突变体胚珠表现为发育异常，包括胚囊退化（约 9%-11%）和特殊的双雌配子体结构（约 23%-31%），即一个胚珠内同时存在两个不完整的胚囊（图 2B）。这些结果表明，OsFGG 突变主要通过干扰雌配子体的形成来导致不育。
OsFGG 调控功能大孢子的特化
进一步追溯早期发育发现，在野生型中，减数分裂产生的四个大孢子仅合点端的一个能发育为功能大孢子（图 3F）。然而在 fgg-1 突变体中，这种精确的特化过程被破坏，约 33.5% 的样本出现了双功能大孢子，而约 10% 的样本则完全没有功能大孢子形成（图 3F）。这两个异常的功能大孢子会继续独立进行有丝分裂，最终形成两个共存但发育不全的胚囊（图 3G-K）。这说明 OsFGG 在确定功能大孢子身份和数量方面发挥着核心守护作用。
OsFGG 编码 KIN7 类驱动蛋白并定位于内质网
序列分析显示，OsFGG 蛋白包含典型的 N 端运动结构域、卷曲螺旋（CC）结构域和尾部结构域，属于 KIN7 驱动蛋白亚家族（图 5A-B）。亚细胞定位显示，OsFGG 主要定位于细胞质和内质网（图 4A-B）。表达分析表明，OsFGG 在根、茎、叶及生殖器官中均有表达，特别是在孢原细胞和大孢子母细胞阶段的子房中高度富集（图 4C-D），这与其功能相吻合。
OsFGG 与 OsER2 物理互作
通过酵母双杂交、BiFC 和 LCI 实验，研究者鉴定出 OsFGG 的运动结构域（OsFGG-N）与类受体激酶 OsER2 存在物理互作（图 5）。OsER2 此前被报道在限制孢原细胞增殖中起重要作用。BiFC 结果显示，OsFGG 与 OsER2 的互作复合物主要定位于内质网（图 5D）。进一步实验发现，虽然 OsFGG 的运动结构域具有入核潜力，但其中间的 OsFGG-M 结构域将其锚定在内质网中，确保其功能的特定空间分布（图 6）。
OsFGG 与 OsER2 协同调控生殖细胞数目
研究者创制了 oser2 单突变体及 fgg oser2 双突变体（图 7）。oser2 表现出与 fgg 类似的缺陷，包括孢原细胞增多、多功能大孢子形成以及低结实率。值得注意的是，fgg oser2 双突变体的结实率进一步降低至 3%-8%，且多功能大孢子的发生频率（26.42%）高于单突变体（图 8A）。RNA-seq 分析揭示，fgg 突变体中多个已知的雌性生殖调节因子（如 OsAGG1、OsMSP1）表达异常，且内质网蛋白加工途径受到显著影响（图 4E-G）。这表明 OsFGG 与 OsER2 可能在同一遗传网络中协同工作，通过调控内质网相关的信号传导来限制孢原细胞增殖并确保功能大孢子的唯一性。
全文总结与展望
本研究揭示了驱动蛋白 OsFGG 与类受体激酶 OsER2 协同调控水稻雌配子体发育的分子机理。OsFGG 通过其运动结构域与 OsER2 互作，在内质网中执行其生物学功能，确保每个胚珠仅能特化出一个功能大孢子并最终发育为一个健康胚囊。当该通路受阻时，空间极性分配失衡，导致多个细胞获得生殖身份，产生双胚囊畸形。这一发现不仅丰富了植物驱动蛋白的功能研究，也为水稻雌性发育提供了新的遗传位点。在应用方面，这些基因的突变系可作为潜在的“雌性不育恢复系”，通过与其他生殖调控手段结合，为杂交稻的机械化大规模制种提供新思路。
研究团队与资助
该研究由华南农业大学 刘向东 教授和 陆紫君 副教授团队完成。Qihang Li 和 Chongchong Zhao 为本文的共同第一作者。研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1200802）、岭南现代农业实验室项目以及广东省水稻种质资源库项目等经费的资助。
DOI链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag356
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