钟声团队揭示被子植物配子互作的新机制

2026年5月5日，北京大学基因功能研究与操控全国重点实验室钟声实验室在Plant Communications发表了题为“GEX3 interacts with GEX2 to function in gamete attachment and plasma membrane fusion in Arabidopsis”的研究论文。该研究通过正向遗传筛选鉴定到一个拟南芥精细胞质膜定位的参与雌-雄配子互作过程的蛋白GAMETE INTERACTION PROTEIN 1 (GIP1)/GAMETE EXPRESSED 3 (GEX3)，并揭示其与已知的精细胞质膜定位的配子互作因子GEX2协同参与配子黏附和质膜融合过程的分子机制，该工作促进了对植物双受精过程中雌-雄配子互作机制新的理解。

受精是雌-雄配子融合并启动新个体发育的关键过程。作为陆地植被的最大类群，被子植物进化出了独特的双受精机制：花粉管将两个精细胞运送至胚珠并释放到雌配子体中，其中一个精细胞与卵细胞融合发育成胚，另一个精细胞与中央细胞融合发育成胚乳，二者是被子植物种子的重要组成部分。阐明双受精过程中雌-雄配子互作的分子机制，对于理解被子植物生殖发育规律以及发展未来作物育种新技术均具有重要意义。

在双受精过程中，配子互作通常可分为配子激活、配子黏附、质膜融合和核融合四个连续阶段。目前，已有研究仅鉴定到为数不多的因子参与雌-雄配子互作的过程，雌-雄配子四个连续阶段之间的关系和调控机制尚不清楚，雌-雄配子互作的调控网络也尚未建立。因此，鉴定更多参与雌-雄配子互作的新因子并解析其功能，对于完善被子植物双受精的分子调控模型、深入理解被子植物有性生殖机制具有重要科学意义。

为鉴定参与配子互作的新因子，本研究首先利用精细胞核荧光标记材料pHTR10:HTR10-mRFP建立了正向遗传筛选体系，并以胚珠中是否存在未融合精细胞作为筛选指标，对EMS诱变群体进行筛选（图1A）。研究团队将筛选获得的候选突变体命名为GAMETE INTERACTION PROTEIN（GIP）。其中，两个突变体表现出相似的未融合精细胞表型。全基因组重测序和遗传定位结果表明，这两个突变体的突变均位于同一基因，该基因此前被注释为GEX3，因此重新将该基因命名为GIP1/GEX3。进一步地，研究团队通过CRISPR/Cas9技术构建了突变体，并利用pGIP1:GIP1-GFP进行互补实验，确认GIP1/GEX3的功能缺失是导致未融合精细胞产生的原因（图1E-G）。亚细胞定位分析显示，GIP1/GEX3 主要在精细胞中表达，并定位于精细胞质膜（图2A）。

图1 GIP1/GEX3参与雌雄配子互作

为了进一步明确GIP1/GEX3在配子互作中的具体作用，本研究对突变体的受精缺陷表型进行了详细的分析。鉴于在花粉量充足的情况下受精失败的胚珠中可能会发生受精补偿进而干扰对突变体表型的分析，本研究采用与单个角果中胚珠数目大致相等的65粒花粉进行极限限量授粉，有效降低了受精补偿对突变体表型分析的干扰（图2B, C）。实验结果表明，gip1/gex3突变体主要表现为卵细胞单受精失败和双受精失败，说明GIP1/GEX3对两次受精事件均具有重要调控作用，并且在精细胞与卵细胞互作中发挥了更为重要的功能（图2D-I）。本研究利用只含一个类精细胞的遗传材料cdka;1进行分析，发现进一步缺失GIP1/GEX3后，精细胞与卵细胞优先受精的能力受到明显影响（图2J-L），这表明GIP1/GEX3对于保证卵细胞优先受精具有重要作用。

图2 gip1/gex3主要表现出精-卵细胞受精和双受精缺陷

先前，对于EC1s、ECS1/ECS2、GEX2、DMP8/DMP9及GCS1/HAP2等因子的功能研究，主要依赖于细胞壁酶解处理的方法对各个突变体表型进行独立分析。由于缺乏统一的评价标准，难以在配子激活、黏附及膜融合这一连续且高度动态的过程中，对不同因子所处的具体功能阶段进行直接比较和可靠认定。为解决这一问题，本研究设立了一套统一的分析体系和标准，结合授粉后48小时的原位观察与授粉后20小时的细胞壁酶解处理，在相同实验条件下系统评估不同的配子互作突变体精细胞与卵细胞的互作状态。基于该体系，我们对EC1s、ECS1/ECS2、GEX2、DMP8/DMP9、GCS1/HAP2等已知因子以及GIP1/GEX3进行了系统分析，提出了一个包含EC1介导的配子激活、配子黏附和配子质膜融合的调控模型（图3）。其中，EC1很可能是最早发挥功能的因子，调控配子激活；ECS1/ECS2主要参与调控配子黏附；GCS1/HAP2和DMP8/DMP9主要参与调控质膜融合；而gip1/gex3突变体精细胞与卵细胞黏附的比例与gex2突变体相近，高于黏附因子ecs1 ecs2，低于融合因子gcs1/hap2和dmp8 dmp9,这表明GIP1/GEX3与GEX2类似，既参与精细胞与卵细胞的质膜黏附，也影响后续的质膜融合（图3）。蛋白互作实验进一步发现，GIP1/GEX3可以与GEX2发生直接互作；遗传数据也进一步支持二者共同调控雌雄配子互作过程（图4）。

图3 GIP1/GEX3参与调控配子质膜黏附和质膜融合

图4 GIP1/GEX3与GEX2相互作用参与调控配子互作

综上所述，本研究不仅鉴定了精细胞质膜蛋白GIP1/GEX3是配子互作过程中的关键调控因子，还揭示了其与GEX2协同调控配子黏附及质膜融合的分子机制（图5）。这些发现进一步完善了被子植物双受精过程中精细胞与雌配子互作的分子模型，为理解植物有性生殖中双受精的调控机制提供了新的视角。此外，本研究通过限量授粉策略降低受精补偿对突变体育性表型分析的影响，并建立了用于分析配子互作因子功能的新体系，为今后配子互作缺陷突变体的表型分析提供了可参考的方法学依据。

图5 GIP1/GEX3与GEX2参与配子互作的工作模型

北京大学生命科学学院博士后汪源、北大-清华生命科学联合中心博士生刘亚霄与博士生徐雅民为论文共同第一作者，钟声研究员为通讯作者。北京大学生命科学学院瞿礼嘉教授提供了重要指导。生命科学学院毕业博士生刘天旭、兰子君、李玲、杨继轩、在读博士生陈禧骏、路菡以及全鑫也参与了本项研究。本研究得到了国家自然基金以及新基石研究员项目的支持。

全文链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(26)00193-8