花粉管与柱头的相互作用是植物生殖领域中备受关注的研究课题之一。花粉管穿透柱头组织是花粉管传递精子的必经之路，因此具有重要意义。近年来，在拟南芥中的相关研究已取得了显著进展。然而，有关调控水稻花粉管穿透柱头组织这一关键步骤的认知尚不完善。本研究成功地鉴定出了一个阻碍该关键步骤的突变，为深入探究花粉管-柱头相互作用调控机制提供了新的线索。
在水稻中作者发现了一个雄性特异的孢子体突变体xt6，该突变体的花粉管能够萌发，但无法穿透柱头组织将精细胞核输送到胚珠中（见图）。通过基因定位，我们确定了目的基因为CHALCONE SYNTHASE1 1（OsCHS1），其编码黄酮类化合物生物合成中的第一个关键酶。黄酮类化合物被证明对花粉萌发和花粉管生长具有调控作用，但其具体作用机制尚存在争议。在一些物种（如玉米和矮牵牛）中（Mo et al., 1992; Pollak et al., 1993），丧失CHS功能会影响花粉萌发和花粉管生长，但在拟南芥中并没有观察到类似的表型。此外，关于黄酮醇和/或黄酮类化合物是否通过ROS调节花粉萌发和花粉管生长的机制也存在疑问。
图 突变体xt6的花粉萌发及花粉管生长
遗传和代谢组研究结果显示OsCHS1通过调节淀粉代谢，从而影响黄酮类和三萜类的代谢平衡，进而控制水稻花粉管穿透柱头。首先，CHS功能丧失会阻断黄酮类物质的生物合成并抑制花粉管穿透，但不影响花粉萌发和花粉管生长；其次，与玉米和矮牵牛不同，外源施加类黄酮如槲皮素或/和山奈酚不能恢复突变表型，并且在突变花粉和花粉管中未检测到ROS变化；第三，突变体α-淀粉酶活性降低，导致观察到的淀粉降解减少；第四，在oschs1突变体中由于阻断了黄酮类物质的生物合成通路，α-淀粉酶抑制剂（如三萜类）显著增加；最后，oschs1花粉管可能由于能量缺乏和渗压降低而难以穿透柱头。基于以上证据，我们提出了水稻花粉管穿透柱头的代谢模型。OsCHS1功能丧失会破坏黄酮类和三萜类代谢平衡，并导致三萜类物质的积累，进而显著抑制α-淀粉酶活性、淀粉颗粒水解和单糖含量，最终影响TCA循环，降低ATP含量和渗透压。最终，突变体的花粉管因能量供应不足而无法穿透母体的柱头组织完成授精过程，导致败育。本研究揭示了OsCHS1通过调节类黄酮和三萜化合物的代谢稳态影响α-淀粉酶活性，进而调节淀粉水解和糖代谢以维持水稻花粉管穿透柱头的新机制。这一发现为作物育种中利用CHS1提供了更深入的认识。
该研究结果以“Homeostasis of flavonoids and triterpenoids most likely modulates starch metabolism for pollen tube penetration in rice”为题于2023年5月23日在线发表在Plant Biotechnology Journal杂志（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14073）。中国科学院遗传发育所博士后吴华茂（现工作于中国农业科学院蔬菜花卉研究所）和已毕业博士谢东江为共同第一作者；中国科学院遗传发育所杨维才院士为通讯作者。中国科学院遗传发育所的王国栋研究员和税光厚研究员也参与了本项研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略先导专项和国家自然科学基金项目的资助。
