摘要：由于全球变暖，热胁迫变得越来越普遍 (Lesk et al., 2016)。热胁迫对植物的生长发育有着负面影响，最终导致雄性不育和作物产量显著降低。雄配子体 (花粉) 的发育和功能是植物生命周期中最易受温度影响的过程之一。热胁迫可以破坏花粉细胞的数量和形态，改
由于全球变暖，热胁迫变得越来越普遍 (Lesk et al., 2016)。热胁迫对植物的生长发育有着负面影响，最终导致雄性不育和作物产量显著降低。雄配子体 (花粉) 的发育和功能是植物生命周期中最易受温度影响的过程之一。热胁迫可以破坏花粉细胞的数量和形态，改变细胞壁结构，并损害花粉代谢 (Hafidh et al., 2016; Chaturvedi et al., 2021)。当热胁迫发生在花粉发育的狭窄窗口期时，热胁迫的影响尤其严重，甚至导致花粉败育，从而影响作物产量和品质。然而，植物在热胁迫下保护生殖过程的分子机制仍不清楚。
近日，JIPB在线发表了北京大学现代农业研究院钱伟强研究员团队和北京大学生命科学学院范六民教授团队题为“ALBA3 maintains male fertility under heat stress in Plants”的研究论文 ，揭示了ALBA3在高温下保护植物雄性育性的新机制。
该研究发现，ALBA3在成熟花粉中特异性高表达 (图1)。将处于生殖期的植株进行高温 (37°C) 处理后并在正常温度下恢复14天，与野生型相比，alba3突变体植物对高温更敏感，其角果变短比例增多，角果中种子数量变少，育性降低 (图2)。
图1. ALBA3在成熟花粉中高表达
(A) GUS染色显示花中proALBA3:GUS的表达模式。(B)在对照条件下，ALBA3-GFP融合蛋白在proALBA3:ALBA3-GFP转基因植物成熟花粉粒中的亚细胞定位。Col-0的花粉粒被用作阴性对照。DAPI染色用于观察细胞核。(C) ALBA3-GFP融合蛋白在成熟花粉粒和花粉管中的定位。♀proALBA3:ALBA3-GFP/alba3-2×♂proHTR10:HTR10-RFP/Col-0的F1植株的花粉粒被使用。HTR10-RFP标记精细胞的细胞核。
图2. alba3突变体植株在高温下育性受损
(A)Col-0，alba3-1，alba3-2，和proALBA3-ALBA3-GFP/alba3-2植株在高温处理后角果育性的表型。白色三角形表示有发育缺陷的角果。(B)热胁迫后不同基因型的角果。x轴表示热胁迫后依次长出的角果的顺序。(C)高温处理后 (B) 中所示植物的角果长度 和每个角果内含的种子的数量(底部)。数据以三个生物学重复的平均值±标准差表示，每个重复的每个基因型有6株植物。“*”和“**”分别表示alba3突变体和Col-0之间在P P(D)展示 (A) 中每株植物具有不同育性类型 (完全可育、部分不育或完全不育) 的角果百分比。
转录组分析表明，alba3-2突变体相较野生型Col-0在高温下有大量与花粉发育相关的基因出现显著下调。EMSA实验表明ALBA3能够结合一部分对花粉功能至关重要的mRNAs，并且利用虫草素处理进行RNA decay实验表明ALBA3可以稳定这些结合的mRNAs，从而保护雄性育性。在Alba结构域中的两个氨基酸残基K46和L90对于ALBA3结合和稳定mRNAs的能力至关重要，并且对于其正常功能是必要的 (图3)。
图3. ALBA3结合并稳定了对花粉活性重要的mRNA
(A) RNA-seq火山图显示了在热胁迫条件下alba3-2和Col-0之间差异表达的基因。(B)GO富集表示热胁迫下alba3-2相比Col-0下调基因富集的生物学通路。P值显示在每个项的右边。(C)EMSA显示ALBA3与ssRNA结合，而K46E和L90S突变蛋白与ssRNA不结合。将3′-Fam标记的ssRNA底物 (80 nM)与浓度逐渐增加 (25、50和75 nM) 的ALBA3、ALBA3K46E和ALBA3L90S一起孵育。(D) RIP-RT-PCR检测表明，在热应激下，ALBA3与OPT8、NFB1和ROCK1的mRNA结合，但ALBA3K46E和ALBA3L90S的突变蛋白不能与这些基因的mRNA结合。AT1G01260的mRNA是ALBA3在高温条件下的非靶标，被用作阴性对照。(E)mRNA decay分析显示OPT8、NFB1和ROCK1在热胁迫下的稳定性。每种基因型的mRNA decay曲线显示为虫草素抑制转录后的相对mRNA丰度。数据表示为三个生物学重复的平均值±标准差。(F) 与野生型或突变型ALBA3互补的alba3-2植物中具有不同育性类型的角果的百分比。有趣的是，在热胁迫条件下，水稻ALBA3的缺失也会导致严重的花粉败育和雄性不育，这突显了ALBA3在保护植物雄性育性方面的保守作用 (图4)。
图4. OsALBA3的缺失导致水稻在热胁迫条件下雄性不育
(A)Kitaake、osalba3和osalba4在正常和热胁迫条件下的花粉体外萌发。红色星号表示花粉未能萌发。比例尺为100 μm。(B)osalba3、osalba4和Kitaake的花粉萌发率，如 (A) 所示。数据以三个生物学重复的平均值±标准差表示，每个重复中至少有100个花粉粒在显微镜下检查。不同的小写字母表示基因型之间存在显著差异 (P (C) 在开花过程中，Kitaake、osalba3和osalba4突变体在正常 (26°C)和热胁迫 (35°C/26℃)下处理7天，然后在26℃下恢复，直到成熟。比例尺为1 cm。(D) Kitaake、osalba3和osalba4主穗的结实率统计，如 (C) 所示。
综上所述，本研究发现：(1) ALBA3在成熟花粉中高表达，并且alba3突变体对热胁迫表现出超敏反应，角果变短和育性降低。(2) ALBA3在独立于经典热胁迫反应 (HSR) 和未折叠蛋白反应 (UPR) 的新机制下发挥作用。它结合并稳定对花粉功能至关重要的mRNAs，从而保护了雄性的育性。(3) 水稻中ALBA3基因的缺失也会导致热胁迫下严重的花粉败育和雄性不育，突显了ALBA3在保护植物雄性育性方面的保守作用。该研究揭示了一种保守的机制，ALBA3通过稳定对花粉功能至关重要的特定mRNAs，在热胁迫期间保护雄性育性。
北京大学现代农业研究院次东副研究员为论文第一作者，北京大学现代农业研究院钱伟强研究员和北京大学生命科学学院范六民教授为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金 (32170285；32270288) 等项目的资助。特别感谢中国农业科学院周焕斌研究员的水稻材料支持和帮助。
参考文献：
Chaturvedi, P., Wiese, A. J., Ghatak, A., Záveská Drábková, L., Weckwerth, W., and Honys, D.(2021) Heat stress response mechanisms in pollen development. New Phytol.231:571–585.
Hafidh, S., Fila, J., and Honys, D. (2016) Male gametophyte development and function in angiosperms: a general concept. Plant Reprod.29: 31–51.
Lesk, C., Rowhani, P., and Ramankutty, N. (2016) Influence of extreme weather disasters on global crop production. Nature529: 84–87.
文章引用：
Ci, D., Liu, Y., Wang, L., Zhu, R., Chen, Y., Bai, G., Xu, Z., Zhou, H., Zhou, X., Fan, L.-M., and Qian, W. (2025). ALBA3 maintains male fertility under heat stress in plants. J. Integr. Plant Biol.
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来源：小孙说科学
