北京时间2024年6月3日17时，中国科学院遗传与发育生物学研究所李红菊团队在Nature Plants在线发表题为“MpMLO1 controls sperm discharge in liverwort”的研究论文，报道了苔藓植物地钱中的MpMLO1蛋白通过调节细胞钙离子浓度启动细胞程序性死亡来介导精子释放的过程。

该研究首次揭示了早期陆地植物中精子释放的分子机制，同时证实了参与调控的MpMLO基因在苔藓植物向被子植物演化过程中功能的保守性。

苔藓植物作为一类最低等的高等植物对于研究陆地植物的起源与演化有着重要意义。地钱(Marchantia polymorpha)作为其中代表性的模式植物具有雌雄异株、单倍体主导生活史、基因组简单、冗余性低等特点。地钱的生殖方式较为原始，其雄性生殖托在水的浸润下可释放出游动的精子，伴随液滴飞溅至雌性生殖托，游动进入颈卵器与卵细胞结合完成受精。但此过程中，精子释放的分子机制一直未被解析。

李红菊课题组鉴定到了一组在生殖组织中特异表达的膜蛋白Mildew resistance Locus O (MLO)，此家族蛋白广泛存在于高等植物中，参与调控免疫识别、根的形态建成、丛枝菌根的共生以及花粉管的导向等过程。课题组通过组织表达和亚细胞定位分析发现地钱中4个MpMLO基因均只在精子囊中表达，其中MpMLO1特异定位于精子囊外被层细胞的质膜上，推测其可能参与精子囊的发育过程。进而对CRISPR突变体Mpmlo1的表型分析发现其功能缺失后会导致精子囊外被层细胞异常膨大，植物成熟后精子释放存在缺陷。

图1：MpMLO1-Ca²⁺信号调控地钱精子释放

课题组对地钱精子囊外被细胞凋亡过程的分析发现地钱精子囊顶端细胞会随发育时间的变化逐渐凋亡，是后续成熟精子囊释放精子的必要条件，而这一过程中钙离子的动态变化起到了重要的作用。通过观察钙离子的动态分布，发现野生型精子囊顶端细胞成熟后钙离子浓度明显升高继而触发了细胞的凋亡过程，而Mpmlo1突变体中顶端细胞钙离子并无明显变化， 细胞凋亡无法进行，导致精子无法释放（图1）。此外，在拟南芥中异源表达地钱的MpMLO蛋白能部分恢复拟南芥突变体Atmlo5/9在管粉受精中的功能缺陷，证实了MLO家族蛋白在生殖发育的演化上的功能保守性。

曹梦醒博士和李世震博士为该论文的共同第一作者，李红菊研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-024-01703-1