花粉粒是一种重要的植物雄性配子体器官,花药是其形成发育的主要场所。在花药发育的过程中,花粉母细胞经历减数分裂产生的每个单倍体,再经历不对称地有丝分裂,产生一个细胞内含细胞的结构,这种特殊结构便是花粉粒。在被子植物中,花粉粒通过其萌发产生的花粉管将雄性配子递送到胚囊中,使雌性配子体受精,从而完成整个有性生殖过程,最后形成种子,并繁衍后代。因此,花粉的发育及花粉管的萌发和生长被认为是被子植物生命周期的关键阶段之一。植物的种子(果实)从远古时代开始便作为人类的主粮。因此,对植物的种子形成的一些关键因素的研究就显得十分有必要,因为这关系到我们人类的生存。花粉对于整个有性生殖过程而言是必不可少的,而有性生殖过程是植物通过产生种子繁衍后代的一系列过程中最关键的步骤。所以,对于植物最重要的雄性器官--花粉的研究,一直以来受到科学家们的关注。并且,还可以通过操纵作物的育性来进行杂交育种和增加作物产量。本研究通过全基因组分析和蛋白序列比对等生物信息学手段,并结合基因敲除技术,以及代谢组学研究,对两个水稻雄性育性控制基因和一个拟南芥雄性育性控制基因进行了克隆,并在细胞学水平和分子功能层面对其调控植物育性的功能做出分析。结果表明这三个基因分别在植物的花粉发育以及花粉管萌发和生长过程中扮演至关重要角色,这为我们提供了花药和花粉发育过程的新机理,增强了我们对花粉外壁形成调控机制的认识,并且探究了花粉管发育过程中代谢和表观遗传之间的联系,为提高作物的产量和育种提供了科学依据。主要研究结果如下:1.拟南芥的ACOS5基因通过调控脂肪酸代谢来控制花粉壁的形成从而影响雄性配子育性。这里,我们克隆了 ACOS5在水稻中的同源基因,OsACOS5,并证明它是ACOS5的直系同源基因。OsACOS5的CRISPR/Cas9敲除突变体由于花粉壁形成的缺陷表现出完全的雄性不育表型。Semi-RT-PCR,qPCR和GUS染色显示OsACOS5在绒毡层细胞和小孢子中特异性表达。对OsACOS5-YFP的亚细胞定位表明OsACOS5蛋白主要定位在内质网(ER)和核上。这些结果表明OsACOS5在花粉壁形成和花粉发育中发挥关键作用,也为单子叶植物和双子叶物种之间酰基辅酶A合成酶功能的保守性提供了证据。2.异胡豆苷合成酶(STR)催化色胺和裂环马钱子苷产生异胡豆苷,而异胡豆苷则是几乎所有的在植物生长和繁殖发育中起重要作用的次生代谢物--萜类吲哚生物碱(TIA)的前体。因此,通过对不同物种中STR-like家族成员的分离和表达,了解STR蛋白及其生物化学途径的未知功能是十分必要的。这里,我们通过全基因组分析确定了 21个水稻异胡豆苷酶家族(OsSTRL)基因。这21 OsSTRL成员聚集成2个主要的组和4个小组。表达模式分析显示只有OsSTRL2在发育的花药中特异性表达。OsSTRL2在水稻中的功能缺失会导致绒毡层退化的滞留,花药出现中异常的蜡质晶体和小孢子,最终导致花粉的缺失或畸形,进而引起雄性不育的表型。在转录本水平上,OsSTRL2在绒毡层细胞和小孢子中的积累,以及OsSTRL2-YFP蛋白的ER定位一起表明,OsSTRL2可能参与到在绒毡层的ER中发生的花粉壁形成的调节网络中。OsSTRL2与最早克隆并进行了蛋白3D解构的蛇根木的STR1的蛋白质序列进行比对的结果显示,虽然OsSTRL2包含β-螺旋桨折叠的基序和形成二硫键的保守残基,但其缺乏STR1中发现的保守的催化残基和关键的底物结合残基。因此,我们认为,OsSTRL2作为水稻中非典型的异胡豆苷合成酶,在花药发育和花粉壁形成中发挥关键作用。3.表观遗传学修饰是指,在不改变DNA序列的情况下控制着基因的表达,包括染色质重塑、组蛋白修饰、DNA甲基化和microRNA通路。甲基化是发生在特定残基上的组蛋白翻译后修饰,涉及转录的激活与沉默、DNA修复和重组等。负责这类修饰的酶以代谢物作为甲基基团的来源,这些代谢物的含量和定位决定了酶促反应的有效性和特异性,从而建立起代谢与表观遗传之间的联系。S-腺苷甲硫氨酸(SAM)广泛用于多种生物反应中,并参与到甲硫氨酸(Met)的代谢途径中,SAM亦是细胞中主要的甲基基团来源。而在拟南芥中,含有4个编码S-腺苷甲硫氨酸合成酶的基因,但只有M4T3在花粉中高度表达。我们的研究结果显示,mat3突变体具有花粉管生长抑制和结实率下降的表型。代谢组学分析证实mat3花粉和花粉管发生Met的过量积累,并且mat3花粉与WT相比具有多种代谢物差异,例如多胺生物合成的差异。此外,我们的研究结果显示,在mat3花粉中Met代谢的中断会影响tRNA和组蛋白的甲基化水平。因此,我们的研究,通过克隆一个调控甲基代谢来影响花粉管萌发及生长的基因,MAT3,并对其突变体的花粉和花粉管进行一系列的包括代谢组分析和甲基化分析在内的功能研究,在一定层面探索了代谢和表观遗传学之间的关系。