本研究由日本名古屋大学（Nagoya University）和新潟大学（Niigata University）的Daisuke Maruyama、Tomoyuki Sugiyama、Toshiya Endo和Shuh-ichi Nishikawa*（*通讯作者）团队完成，于2014年发表在期刊Plant Cell Physiology（第55卷第4期）。研究聚焦拟南芥（Arabidopsis thaliana）中内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）分子伴侣蛋白BIP（Immunoglobulin-Binding Protein）的多基因功能，揭示了其在雄性配子发育和花粉竞争力中的关键作用。
学术背景
BIP属于热休克蛋白70（HSP70）家族，定位于内质网，参与蛋白质转运、折叠及质量控制。与酵母和哺乳动物不同，开花植物拥有多个BIP基因。拟南芥中存在三个BIP基因：BIP1和BIP2广泛表达且功能高度冗余，而BIP3仅在ER应激条件下表达。前期研究发现，BIP1/BIP2双突变会导致雌配子发育缺陷，但花粉仍具活性；然而，BIP1/BIP2/BIP3三突变的表型尚不明确。本研究旨在解析BIP基因在雄性配子发育中的功能冗余机制及其对花粉管生长的调控作用。
研究流程与方法
基因表达分析
- 材料：拟南芥野生型（Col-0）及突变体（bip1-4、bip2-1、bip3-1）。
- 方法：通过RT-PCR和GUS报告基因检测BIP基因在花粉及花粉管中的表达模式。结果显示，BIP3在正常条件下于花粉中低水平表达，且其启动子活性通过GUS染色证实。
表型分析
- 双突变体（bip1 bip2）：花粉管体外培养显示，双突变体花粉管长度显著缩短（348±197 μm vs 野生型517±179 μm），体内竞争实验进一步表明其受精效率随花粉管延伸距离下降。
- 三突变体（bip1 bip2 bip3）：通过杂交构建三突变体，发现花粉在双细胞期（bicellular stage）即发生败育，DAPI染色显示败育花粉缺乏细胞核。遗传分析证实三突变体花粉致死，表明BIP3可挽救BIP1/BIP2双突变的致死表型。
功能互补实验
- 构建BIP3由BIP1启动子驱动的转基因株系（pbip1::BIP3），发现其能完全恢复双突变体的花粉管生长缺陷（长度恢复至501±171 μm）和种子败育表型，证明BIP3与BIP1/BIP2功能保守。
ER驻留J蛋白的作用
- 分析双突变体aterdj3b atp58ipk（ER质量控制相关J蛋白）的花粉表型，发现其花粉萌发率显著降低（%四花粉萌发），暗示BIP与J蛋白协同调控花粉分泌活动。
主要结果
- BIP3的功能冗余性：BIP3在花粉中的基础表达可挽救BIP1/BIP2双突变的致死效应，但不足以完全恢复其竞争力，因其表达量低于BIP1/BIP2。
- 剂量效应：BIP基因拷贝数减少导致花粉管生长速率呈梯度下降，表明BIP蛋白水平与分泌活动效率直接相关。
- 进化意义：开花植物通过保留多拷贝BIP基因（如水稻6个、拟南芥3个）适应高分泌需求的组织（如花粉管）及环境胁迫。
结论与价值
本研究首次揭示拟南芥BIP基因家族在雄性配子发育中的功能层级：BIP1/BIP2主导基础功能，BIP3作为应急备份。其科学价值在于：
1. 理论层面：阐明了多基因冗余机制如何保障ER稳态，尤其在高分泌活性的细胞中。
2. 应用潜力：为作物育种中花粉竞争力的遗传改良提供靶点，例如通过调控BIP表达提升授粉效率。
研究亮点
- 创新发现：证明BIP3在非应激条件下的花粉特异性表达及其“兜底”功能。
- 方法学：结合四分体（quartet）突变体与GUS报告系统，实现单花粉水平的表型追踪。
- 进化视角：提出植物多拷贝BIP基因是适应分泌需求扩张的进化策略。
其他价值
研究还发现ER质量控制相关J蛋白（如AtERdj3B和AtP58IPK）的缺失会严重损害花粉萌发，暗示BIP-J蛋白网络在生殖发育中的普适性调控机制。这一发现为后续研究ER应激与植物育性的关联提供了新方向。