南京大学生命科学学院孙博课题组揭示植物花粉发育调控的新机制

减数分裂对于大多数真核生物的有性生殖至关重要，解析调控减数分裂的关键因子和分子机制对于基于雄性不育的育种体系具有重要意义。KNUCKLES（KNU）编码一个含C2H2结构域的锌指蛋白，其最初在花分生组织的中心区表达，在花发育第6期通过抑制干细胞身份基因WUSCHEL（WUS）的转录终止花分生组织活性，从而确保雌蕊的正常发育。同时，KNU也在减数分裂细胞中表达。KNU的功能缺失突变体knu-2表现出雄性不育而雌蕊可育的表型。然而，KNU在雄蕊育性中的调控机制仍然未知。

近日，南京大学孙博课题组以及华南农业大学王应祥课题组合作发文解析了KNU调控雄蕊育性的分子机制。

该研究首先发现knu-2的花药中几乎无花粉粒形成。通过观察KNU-GFP在花药发育不同时期的时空表达模式，研究人员发现KNU信号首次出现于花药发育第5期的小孢子母细胞中（开始进入减数分裂），并在第6期达到峰值（减数分裂时期），在第7期逐渐减弱（四分体形成），最终在第8期完全消失（花粉粒形成）。花药发育不同时期的半薄切片结果表明，knu-2的小孢子母细胞从花药发育第6期开始出现异常，表明KNU可通过调控小孢子母细胞的减数分裂过程调控花粉形成。

进一步研究发现，在knu-2小孢子母细胞减数分裂过程中，染色体行为明显异常，表现为：终变期的染色质不凝缩与异常联会；中期I的单价体与非同源染色体连接；后期I以及减分II中的染色体片段化等。值得注意的是，knu-2减数分裂细胞中处于分裂期的细胞占比显著低于野生型，且绝大多数knu-2减数分裂细胞停滞在细线期和偶线期。同时， knu-2小孢子母细胞的四分体形态也存在严重缺陷：主要由单分体（36.36%）、二分体（34.54%）和三分体（12.74%）构成，正常与异常的四分体仅占9.09%，表明KNU可能调控小孢子母细胞的细胞分裂周期。

研究人员随即分离了野生型与knu-2的小孢子母细胞进行了RNA-seq分析，发现在179个已知的减数分裂相关基因中，绝大多数的基因在knu-2突变体中显著下调，这些基因几乎覆盖了所有减数分裂事件。而knu-2中的上调基因主要聚类于细胞周期相关途径，其中包括细胞周期抑制因子KRP1与SMR1。同时，KRP1与SMR1的下游CYC/CDK因子（包括已知的减数分裂细胞周期基因CDKA;1、CYCB3;1、CYCA1;2、CYCA3;3等）在knu-2中普遍下调。进一步研究发现，在knu-2背景下突变KRP1或者KRP1的同源基因KRP3可部分回复雄蕊育性，而smr1 knu-2无法回复。KNU可以直接结合KRP1/3的启动子区域并抑制它们的表达。同时，用KNU启动子表达KRP1会导致花粉形成显著减少，小孢子母细胞减数分裂行为异常以及细胞周期延缓。

图1 KNU通过调控细胞周期影响雄蕊育性的作用机制

综上，该研究揭示了一种由KNU介导的雄蕊育性调控机制（图1）。研究结果一方面拓宽了细胞周期调控在雄蕊育性中的重要性，也对后续了解KNU在大孢子母细胞中的功能提供了参考，而且可能在作物的遗传改良中具有潜在的应用价值。

该研究成果以 “KNUCKLES promotes meiotic cell cycle progression by directly repressing the expression of KRP1 and KRP3 to ensure male fertility”为题，在线发表在Plant Communications期刊。南京大学孙博教授和助理教授陈炜、华南农业大学王应祥教授和王聪教授为该论文共同通讯作者。南京大学博士生昌永胜、华南农业大学博士后陈芷郁以及南京大学助理教授陈炜为该论文共同第一作者。南京大学已毕业博士生靳雪莹、加拿大Saskatchewan大学Hong Wang教授、以及南京农业大学占华东博士等参与了该研究工作。该课题得到了国家自然科学基金、南京大学队伍建设科研启动经费、中央高校基本科研业务费、广东省第九批珠江人才计划“植物减数分裂重组与种质创新团队”等专项资金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101610