植物有性生殖需要花粉落在柱頭上，柱頭通過花柱萌發并長出花粉管，將精細胞輸送到胚珠。花粉管是已知生長最快的植物細胞。研究表明，玉米花粉管的生長速度可達2.8微米/秒，而百合花粉管的生長速度也可達0.2 ~ 0.3微米/秒。它的極化生長過程消耗了大量的能量，這涉及到質體、細胞質和線粒體之間的協調能量通量。如此驚人的生長速度需要高效而巨大的能量來進行代謝和質膜、細胞壁的持續合成——問題是:能量從何而來?

由香港大學(港大)生物科學學院林文量博士領導的研究小組開發了實用的生物傳感器，以測量活植物細胞和細胞器中能量流的實時動態變化，這揭示了擬南芥花粉管如何獲得能量以維持其快速生長。

與葉細胞不同，花粉管不進行光合作用，主要依靠花柱供糖產生三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)等能量分子來支持花粉管生長。脂肪酸(FA)是花粉管質膜的組成部分，是在花粉質體中合成的，花粉質體是葉綠體的前體細胞器，不含葉綠素。花粉質體中FA的合成需要大量的ATP、NADPH、NADH和重要的代謝中間體乙酰輔酶a (acetyl- coa)。ATP、NADPH、NADH和乙酰輔酶a有多種可能的途徑用于FA的合成，但由于花粉管體積小，缺乏測量花粉質體和細胞質中ATP、NADPH和NADH濃度的工具，其確切機制尚不清楚。

由Boon Leong Lim博士領導的研究小組最近在《自然通訊》雜志上發表了他們的發現。該團隊開發了第二代熒光NADPH和NADH/NAD+比值蛋白質傳感器，并將這些生物傳感器引入到植物擬南芥花粉管的質體和細胞質中，從而揭示花粉管生長的生物能學。

通過對萌發花粉管進行藥物處理，發現線粒體呼吸作用是植物擬南芥花粉管胞質ATP的主要來源。質體ATP主要由質體糖酵解提供，也可通過質體膜上的核苷酸轉運體(NTT)從細胞質中輸入。對于質體NADPH的供應，質體蘋果酶NADP-ME4是比氧化磷酸戊糖途徑(OPPP)更重要的途徑。

雖然無氧呼吸和丙酮酸脫氫酶(PDH)旁路被認為是煙草花粉管中為質體FA合成提供乙酰輔酶a的重要途徑，但這些途徑在擬南芥花粉管生長中并不重要。相反，質體糖酵解是脂肪酸合成中乙酰輔酶a更重要的來源。

NADH和NAD+在質體中的轉化似乎要復雜得多。雖然質體糖酵解和質體PDH途徑產生了大量的NADH來合成FA，但多余的NADH必須通過nadd -蘋果酸脫氫酶(plnadd - mdh)在花粉質體中轉化回NAD+來維持質體糖酵解。

本研究不僅開發了更實用的生物傳感器，可以實時測量活植物細胞和細胞器中ATP、NADPH、NADH/NAD+的動態變化，而且揭示了花粉質體中為FA合成提供ATP、NADPH、NADH和乙酰輔酶A的確切生化途徑。

這篇文章的第一作者、Lim團隊的博士生劉金紅女士評論說:“我們開發的植物熒光蛋白傳感器是解決植物生物能學一些關鍵問題的強大工具。我們很高興在2022年的《自然通訊》上發表兩篇關于我們使用這種新技術的發現。”

文章標題

Bioenergetics of pollen tube growth in Arabidopsis thaliana revealed by ratiometric genetically encoded biosensors