花粉特異的タンパク質PSP231はカロース合成を活性化し、雄性配偶子形成と花粉の発芽を制御する

Pollen-specific protein PSP231 activates callose synthesis to govern male gametogenesis and pollen germination.

• Yang Li
• Li Li
• Yao Wang
• Ya-Chao Wang
• Na-Na Wang
• Rui Lu
• Yu-Wei Wu
• Xue-Bao Li

抄録

時空間的に制御されたカロースの沈着は、花粉の発育と機能性を促進する必須の遺伝的にプログラムされた現象である。重度の男性不妊はカロース生合成の欠乏と関連しており、男性の配偶子形成におけるカロース沈着の重要性が強調されている。しかし、機能的な雄性配偶子形成におけるカロースの重要な役割を制御する分子機構については、いまだ完全に解明されていない。ここでは、これまで明らかにされていなかった綿花の花粉特異的SKS様タンパク質（PSP231）の花粉ミトーシス後の段階での段階的な発現亢進が、カロース生合成を活性化して花粉の成熟を促進することを明らかにした。PSP231の発現レベルの異常は、サイレンシングまたは過剰発現によるものであり、その結果、花粉発育の遅れや男性不妊の表現型に用量依存的に影響を与えることがわかった。メカニズム解析の結果、PSP231は花粉の発生に必要なカロース合成と沈着を誘発し、微調整する上で中心的な役割を果たしていることが明らかになった。具体的には、PSP231タンパク質がRNA結合タンパク質GhRBPL1の細胞内プールを隔離してGhWRKY15 mRNAを不安定化し、GhWRKY15が介在するGhCalS4/8の転写抑制をオフにして花粉中のカロース生合成を活性化することを明らかにした。今回の研究により、PSP231が花粉の成熟と機能性に向けてカロースの沈着を制御する分子回路を活性化する鍵となる分子スイッチであることが明らかになり、農作物を男性不妊から守ることができました。

Spatiotemporally regulated callose deposition is an essential, genetically programmed phenomenon that promotes pollen development and functionality. Severe male infertility is associated with deficient callose biosynthesis, highlighting the significance of intact callose deposition in male gametogenesis. The molecular mechanism that regulates the crucial role of callose in production of functional male gametophytes remains completely unexplored. Here, we provide evidence that the gradual upregulation of a previously uncharacterized cotton (Gossypium hirsutum) pollen-specific SKS-like protein (PSP231), specifically at the post pollen-mitosis stage, activates callose biosynthesis to promote pollen maturation. Aberrant PSP231 expression levels via either silencing or overexpression, resulted in late pollen developmental abnormalities and male infertility phenotypes in a dose-dependent manner, highlighting the importance of fine-tuned PSP231 expression. Mechanistic analyses revealed that PSP231 plays a central role in triggering and fine-tuning callose synthesis and deposition required for pollen development. Specifically, PSP231 protein sequesters the cellular pool of RNA-binding protein GhRBPL1 to destabilize GhWRKY15 mRNAs, turning off GhWRKY15-mediated transcriptional repression of GhCalS4/8, and thus activating callose biosynthesis in pollen. This study showed that PSP231 is a key molecular switch that activates the molecular circuit controlling callose deposition towards pollen maturation and functionality, and thereby safeguards agricultural crops against male infertility.

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